Các quần động vật đại dương và đất liền về bản chất là hiện đại, mặc dù quần động vật lục địa là nguyên thủy hơn một chút so với ngày nay. Những sinh vật dạng người của tông Hominini, nhóm Australopithecine, đã xuất hiện trong thế Pliocen.

Các va chạm của các lục địa nghĩa là có sự di cư lớn và trộn lẫn của các loài trước đó là cô lập, chẳng hạn như trong Đại trao đổi châu Mỹ. Các động vật ăn cỏ trở nên to lớn hơn, giống như các động vật săn mồi chuyên biệt hóa.

Động vật có vú

Tại Bắc Mỹ, động vật gặm nhấm, voi răng mấu (Mammutidae) to lớn, voi răng hõm (Gomphotheriidae), thú có túi ôpốt (Didelphimorphia) vẫn tiếp tục thành công, trong khi các động vật móng guốc (Ungulata) suy giảm, với lạc đà, hươu và ngựa đều suy giảm về quần thể. Nhiều loài tê giác, heo vòi và Chalicotheriidae bị tuyệt chủng. Nhóm động vật ăn thịt như chồn đa dạng hóa, cũng như chó cùng những con gấu săn mồi và chạy nhanh. Những con lười (Folivora), thú răng khắc (Glyptodont) và tatu (Cingulata) tiến về phía bắc với sự hình thành của eo đất Panama.

Tại đại lục Á-Âu động vật gặm nhấm cũng phát triển, trong khi sự phân bố của linh trưởng bị thu hẹp. Voi, voi răng hõm và voi răng mái (Stegodon spp.) thành công tại châu Á, còn các loài đa man từ châu Phi di cư lên phía bắc. Sự đa dạng của các loài ngựa bị suy giảm, trong khi heo vòi và tê giác lại phát triển tương đối tốt. Trâu bò và linh dương cũng thành công, và một số loài lạc đà từ Bắc Mỹ vượt sang châu Á. Linh cẩu và mèo răng kiếm tiền sử xuất hiện, gia nhập nhóm động vật săn mồi cùng với chó, gấu và chồn.

Tại châu Phi, nhóm thống lĩnh là động vật móng guốc, còn linh trưởng vẫn tiếp tục quá trình tiến hóa của mình, với Australopithecine (một số trong những động vật dạng người đầu tiên) xuất hiện vào cuối thế Pliocen. Động vật gặm nhấm cũng thành công, còn quần thể voi thì gia tăng số lượng. Trâu, bò và linh dương tiếp tục đa dạng hóa và vượt qua lợn về số lượng loài. Những loài hươu cao cổ đầu tiên xuất hiện, còn lạc đà di cư từ Bắc Mỹ qua châu Á sang đây. Các dạng ngựa và tê giác hiện đại xuất hiện. Gấu, chó và chồn (nguồn gốc Bắc Mỹ) gia nhập cùng hổ, báo, mèo, linh cẩu và cầy hương để trở thành những kẻ săn mồi ở châu Phi, đã buộc linh cẩu phải thích nghi như là những kẻ chuyên ăn xác chết.

Nam Mỹ bị xâm chiếm lần đầu tiên bởi các loài từ Bắc Mỹ kể từ kỷ Phấn Trắng, với các dạng động vật gặm nhấm và linh trưởng trộn lẫn với các dạng phương nam.Litopterna và Notoungulata, các nhóm động vật móng guốc bản địa Nam Mỹ, cũng phát triển tốt. Các động vật ăn thịt nhỏ, giống như chồn của họ cầy (Mustelidae) và coati (Nasua) di cư từ phía bắc tới. Các loài thú răng khắc ăn cỏ (Glyptodont), lười khổng lồ và tatu nhỏ hơn phát triển tốt.

Thú có túi (Marsupialia) vẫn là nhóm thống lĩnh trong quần thú của Australia, với các dạng ăn cỏ như gấu túi (Vombatidae), kangaroo và Diprotodont (thú răng hai cửa) to lớn. Các loài thú có túi và ăn thịt vẫn tiếp tục sinh tồn trong thế Pliocen, bao gồm nhóm Dasyuromorphia, sói Tasmania (họ Thylacinidae, tương tự như chó) và sư tử túi (chi Thylacoleo, tương tự như mèo). Những loài gặm nhấm đầu tiên cũng đến đây trong thời gian này, trong khi dơi cùng các loài cá voi phát triển tốt. Thú mỏ vịt hiện đại, một nhóm động vật đơn huyệt, cũng xuất hiện.

Chim

Nhóm chim săn mồi họ Phorusrhacidae (chim khủng bố) đã hiếm trong thời gian này; trong số các loài cuối cùng chỉ còn chi Titanis, một chi chim săn mồi cạnh tranh cùng động vật có vú trong vai trò của động vật săn mồi hàng đầu. Đặc trưng phân biệt của chúng là móng vuốt, đã tiến hóa để túm lấy con mồi, chẳng hạn như Hipparion (dạng ngựa cổ đại). Các nhóm chim khác có lẽ đã tiến hóa vào thời gian này, một số trở thành chim hiện đại còn một số bị tuyệt chủng.

Bò sát

Các dạng cá sấu bị tuyệt chủng ở châu Âu do khí hậu lạnh lẽo. Các nhóm rắn độc tiếp tục gia tăng do có nhiều nhóm chim và động vật gặm nhấm đã tiến hóa.