Durante la Fauna Neógeno ocurrió una modernización de los vertebrados (se expandieron serpientes, paseriformes, ranas, ratas y ratones). En los océanos aparecen las primeras algas coralinas que franquean los arrecifes actuales. Se da una diversificación y radiación adaptativa de ballenas, delfines y cachalotes. Las globigerinas, seriamente diezmadas en la Extinción Eocena, se expanden de nuevo en el Mioceno y constituyen unos excelentes fósiles-guía en los medios marinos. En la fauna Neógeno tiene lugar la expansión de diatomeas de agua dulce (Pennales), que se habían originado en el Paleógeno. En el Mioceno comprenden 2000 especies, alcanzando una posición ecológica similar a la actual como productores primarios de agua dulce.
Los cambios climáticos durante la Fauna Neógeno ejercieron una influencia profunda sobre las biotas terrestres. Aunque de manera general suele llamar la atención el origen de los grandes mamíferos, destaca igualmente el éxito de criaturas menores durante la Fauna Neógeno. De hecho, el Neógeno se podría llamar también la Edad de las Ranas, la Edad de las Ratas y Ratones, la Edad de las Serpientes, o la Edad de los Paseriformes. Estos cuatro grupos han experimentado una gran radiación adaptativa en los últimos millones de años. Quizás el éxito de ranas y sapos modernos es su gran capacidad para capturar insectos con sus largas lenguas. Así mismo, las serpientes se han expandido en su mayor parte a causa de la proliferación de ranas y roedores, ya que pocos predadores pueden perseguir a estos pequeños roedores en sus madrigueras. Antes del inicio de la Fauna Neógeno había pocas serpientes exceptuando los miembros del primitivo grupo de Boa constrictor. La expansión de los paseriformes presumiblemente estuvo condicionada por al diversificación de las semillas de las numerosas especies gramíneas, aunque como las ranas, parte de su éxito se debe a su capacidad para capturar insectos.
En Sudamérica, los principales depredadores eran los pájaros del terror, una familia de aves no voladoras de gran tamaño. Su aspecto era parecido al del avestruz, pero eran carnívoros y algunos mucho más grandes. Tenían una altura de 0,6 a 3 m y pequeñas alas a modo de brazos que seguramente les servirían para derribar a las presas en movimiento. Vivieron en el Paleógeno y Neógeno hace 62-2 millones de años. Originarios de Sudamérica, pasaron a Norteamérica cuando se formó el istmo de Panamá. Los pájaros del terror se extinguieron, pero sus parientes actuales más cercanos son las chuñas de la familia Cariamidae.
Los grupos de grandes animales también desarrollaron sus características modernas durante este período de la Fauna Neógeno. Entre los herbívoros, por ejemplo, las familias de rinocerontes y caballos disminuyeron después del Mioceno superior en una continuación del decaimiento general de los ungulados de dedos impares. Mientras tanto, Cervidae y Bovidae también se diversificaron durante el Mioceno, aunque el número de especies en estas familias ha disminuido desde entonces. De forma similar, muchos tipos de elefantes, incluyendo los que tenían largas trompas, experimentaron un gran éxito durante el intervalo Mioceno-Plioceno, para luego declinar (hoy solo existen dos especies). Los mamuts vivieron durante el Plioceno y el Pleistoceno. Los mamíferos carnívoros (que incluían las familias del gato y el perro, aparecidas en el Paleógeno), adquieren su carácter moderno. Durante el Mioceno aparecen las familias de las hienas y los osos. Muchos grupos de mamíferos herbívoros neógenos, como los antílopes, se expandieron con éxito por las grandes extensiones de sabanas y praderas, junto con los grupos de roedores. La diversificación de herbívoros, a su vez, fomentó el éxito de grupos de carnívoros tales como hienas y leones en este periodo de Fauna Neógeno.
En cuanto a los primates de la Fauna Neógeno, los monos ya estaban presentes en el Oligoceno. El grupo más antiguo incluye los monos del Viejo Mundo que ahora viven en África y Eurasia. Antes del final del Oligoceno, un grupo distintivo de monos alcanzó Sudamérica. En todo caso, monos de ambos lados del Atlántico experimentaron radiaciones adaptativas durante el Neógeno. Entre los primates africanos se hallaban los Hominoideos, del tipo Dryopithecus y Proconsul, descendientes de formas oligocenas. Durante el Mioceno, el grupo de los primates del Viejo Mundo se amplió, con la aparición de los monos cercopitécidos (en los que hoy se encuadran macacos y babuinos).
Utilizando relojes moleculares se estima que la separación entre Homininos y chimpancés se produjo hace unos 7 millones de años a finales del Mioceno. Los primeros Homininos conocidos son Sahelanthropus tchadensis (de 6 a 7 millones de años de antigüedad) y Orrorin tugenensis (de hace 6 millones de años) del Mioceno y Ardipithecus (entre 5,8 y 4,1 millones de años) del final del Mioceno y comienzos del Plioceno. Los Australopithecus aparecieron hace unos 4 millones de años durante el Plioceno. Ya se desplazaban de manera bípeda, aunque el tamaño de su cerebro era similar al de los grandes simios actuales. La especie más antigua del género Homo, Homo habilis, vivió aproximadamente de 2,5 a 1,44 millones de años atrás, durante el comienzo del Pleistoceno (ya en el Cuaternario). Probablemente era capaz de la fabricación de primitivos utensilios de piedra. Las últimas fases de la evolución hacia los humanos se completarán durante el Cuaternario.