大量的现代哺乳动物化石最早出现于始新世早期。在始新世开始之初，一些新哺乳动物群到达北美。这些原始的哺乳动物，如偶蹄类动物，奇蹄类动物和灵长类动物，特征是细长的四肢，有抓取物体的能力，可以透过鉴别牙齿来区分它们的食性。且基于牙齿尺寸的关系，始新世的哺乳动物的体型只有原始的古新世哺乳动物的百分之六十。

    长颈鹿科（Giraffidae）萨摩麟(Samotherium)与山西兽一样同属于古长颈鹿。萨摩麟在眼的后部有对角，口鼻部很长，嘴呈圆形；臼齿齿冠很高，适合侧边咀嚼，与牛和羊相似，都适合吃草，因此它应该是生活在开阔的草原上。萨摩麟属于偶蹄类(Artiodaclyla)的反刍亚目(Ruminantia)，反刍亚目包括鼷鹿类、鹿类和洞角类。它们从始新世晚期开始出现，到中新世开始繁盛成为分布最广、种类和数量最多的有蹄动物。

    犀亚科（Rhinocerotinae）下分为四类，分别为犀族Rhinoceratini、双角犀族Dicerorhinini、非洲犀族Dicerotini和板齿犀族Elasmotheriini。这四类都是较晚期的犀牛，生存年代基本都在中新世之后。除了板齿犀族，另外三族均有现存代表。披毛犀Coelodonta antiquitatis属于双角犀族Dicerorhinini，双角犀族的现存代表是苏门答腊犀Dicerorhinus sumatrensis。

    原雷兽属（Protitan）雷兽是一类生活在古近纪始新世的奇蹄类哺乳动物。归于马型亚目，单置为雷兽超科。化石主要发现在古北区的亚洲和北美。最早的雷兽类动物是北美洲始新世早期的兰布达兽(Lambdotherium)，我国的雷兽类动物则最早出现于始新世中期的阿山头期。雷兽类演化至渐新世突然全部灭绝，在它们不算长的历史中，主流方向是个体体型不断增大，侏儒雷兽和迷你雷兽除外，一般认为，雷兽的角也是不断增大的。

    悬猴类 (Anaptomorphimae)是主要的绝灭眼镜猴类型。生存的时代为早一晚始新世。分布在美洲的西北部和西欧。有不很特化的臼齿，最后上、下臼齿有高和呈球状的主尖，北美早始新世的Teronius是了解最多的悬猴类，头骨上显示出有较大的大脑半球，位置靠近的大眼眶,短的鼻和膨大的听泡。从耳区鼓室的结构来看,早第三纪的眼镜猴类不仅包括特化的类型和现生眼镜猴的祖先类型，而且也有发展到高等灵长类的类型。如产自法国始新统的尼古鲁猴(Necrolemur)，其形态特征远远超出了狐猴阶段而接近于猿类，但它不是猿猴的直接祖先。中国晚始新统的黄河猴(Hoanghonius)发现于山西的垣曲盆地。1953年又增加了两个下颌骨。有些学者认为1930年的材料应置于兔猴类。