La época del Mioceno tuvo lugar hace unos 23 a 5,3 millones de años. Cambios importantes en el clima, la geografía, la flora y la fauna de la Tierra ocurrieron durante el Mioceno que estableció gran parte del mundo tal como lo conocemos hoy, haciendo de este período en la historia de la Tierra una buena transición entre el Oligoceno más arcaico y el Plioceno más moderno. Los continentes continuaron cambiando a sus posiciones actuales. Los dos continentes de América todavía estaban separados, mientras que África se movía hacia el norte hacia Europa, haciendo que el antiguo Mar de Tetis desapareciera. Una fractura en la placa de África Oriental comenzó a crear el Gran Valle del Rift, y los Himalayas continuaron elevándose. Ambos eventos desencadenarían patrones climáticos monzónicos en India y África. En general, el clima de la Tierra siguió siendo más seco y más frío, favoreciendo los ambientes abiertos y las plantas resistentes a la intemperie en lugar de los bosques densos que dependen de la humedad. De toda la vida en la Tierra en este momento, una forma por encima de todas las demás se levantó para dejar la marca más grande en el planeta desde el surgimiento de los dinosaurios: la hierba. Ya presente desde antes de la extinción del K/T, la hierba comenzó a conquistar la flora del mundo durante el Mioceno a medida que los bosques disminuían y el clima se hacía más árido. Los pastos evolucionados para crecer desde la base de las raíces son extraordinariamente resistentes, capaces de soportar las presiones de las inundaciones, la sequía, el fuego, la nieve, el pastoreo y el pisoteo de los animales. Las hierbas pronto cubrieron la mayor parte de la tierra abierta en la Tierra y tendrían un inmenso impacto en la fauna de la Tierra. El aumento de la hierba desencadenó una nueva ola de radiación entre los grandes mamíferos de las llanuras abiertas. Más grupos de herbívoros desarrollaron dientes de corona alta para masticar las hojas duras y estómagos con varias cámaras para procesar la vegetación de bajo contenido de nutrientes. Los animales exploradores fueron reemplazados por pastadores y los depredadores se adaptaron más para correr a sus presas. En el Mioceno temprano todavía había muchos grupos de mamíferos que eran comunes en el Oligoceno como nimrávidos, entelodontes, hiaeonodontes y oreodontes, pero pronto fueron reemplazados por depredadores y pastores más eficientes. Perros reconocibles, osos, camellos, caballos, antílopes y jirafas vivían junto a perros oso, verdaderos gatos dientes de sable, chalicoteros y muchas variedades de rinocerontes y elefantes. Los simios evolucionaron y alcanzaron su mayor diversidad en este momento con alrededor de 100 especies conocidas en Eurasia y África. Probablemente alrededor de 8 millones de años vivió el último ancestro común de chimpancés y humanos. Aparecieron ballenas de aspecto más moderno en los océanos, incluidas las primeras ballenas con barbas en lugar de dientes para filtrar presas pequeñas. Muchos cetáceos más grandes eran temibles depredadores rapaces similares a las orcas modernas y cazaban junto a tiburones masivos, como el famoso Megalodón. Otros mamíferos marinos incluyen focas reconocibles, nutrias y sirenios, así como perezosos acuáticos gigantes. América del Sur fue sede de su propia fauna única de grandes mamíferos con pezuñas, pequeños carnívoros relacionados con marsupiales y aves gigantes sin vuelo con picos enormes en forma de gancho, apropiadamente llamadas «aves del terror». En América del Sur y la India había varias formas de cocodrilos gigantes, y las serpientes se diversificaron enormemente en América del Norte en respuesta a la propagación de pastizales y, a su vez, la propagación de roedores. Si bien el registro fósil de las aves es más pobre debido a que las aves tienen huesos frágiles que rara vez se fosilizan, la evidencia muestra que casi todas las familias de aves vivas habían aparecido y eran reconocibles para los humanos a finales del Mioceno. †Hipparion laromae: Hipparion fue un género de caballos muy exitoso que sobrevivió hasta mediados del Pleistoceno. En el Mioceno fue uno de los primeros caballos adaptados para pastar en los nuevos pastizales de África, Eurasia y América del Norte. Tenía unos 4 pies y medio de altura en el hombro y se parecía a los caballos modernos, excepto que todavía tenía tres dedos en lugar de uno, aunque solo el dedo medio tocaba el suelo y cargaba con el peso del animal.
†Tyto gigantea: durante el Mioceno, la región de Gargano, en el sureste de Italia, era una isla debido al aumento del nivel del mar. Este aislamiento permitió que la fauna de la isla evolucionara en muchas formas únicas. Tyto gigantea era una especie de búho estrechamente relacionada con la lechuza común moderna. Sin embargo, este búho era uno de los más grandes de la historia; con una longitud corporal de hasta 80 cm y un peso de hasta 20 libras, era mucho más grande que el búho vivo más grande; el búho real. Este ave de tamaño masivo y garras fuertes lo habrían convertido en uno de los principales depredadores de su ecosistema insular, considerando que el carnívoro mamífero más grande de la isla era un primo del tamaño de un gato del erizo.
†Thylacosmilus atrox: Thylacosmilus era un extraño depredador metateriano de América del Sur que tenía dientes caninos alargados similares a un gato con dientes de sable, aunque no era un pariente y evolucionó el parecido a través de la evolución convergente, al igual que los felinos verdaderos, Thylacosmilus era uno de los principales depredadores de América del Sur, junto con las aves del terror. Pesaba alrededor de 250 libras, era más grande que un leopardo y tenía poderosos músculos en el cuello para entregar mordeduras profundas a su presa. También tenía extremidades delanteras fuertes y flexibles para sujetar a sus presas como verdaderos dientes de sable. †Pierolapithecus catalaunicus: esta especie de simio que se encuentra en España puede haber sido un ancestro de chimpancés, gorilas y humanos según la estructura de su cara, mientras que el linaje que conduce a los orangutanes puede haberse separado antes de que apareciera. Tenía dedos cortos, una caja torácica plana, muñecas flexibles y omóplatos que yacían a lo largo de su espalda, lo que sugiere que estaba especializado para trepar a los árboles. El hecho de que viviera en Europa demuestra que los simios debieron haber podido migrar entre Europa y África, quizás en tiempos en que el Mar Mediterráneo se secó. †Teleoceras mayor: Teleoceras era una especie de rinoceronte muy común en América del Norte y Europa. Su cuerpo era muy redondo y sus extremidades eran cortas, lo que lo hacía parecer mucho más un hipopótamo a pesar del pequeño cuerno en la nariz. Al igual que los hipopótamos, Teleoceras puede haber pasado gran parte de su tiempo revolcándose en el agua y luego viniendo a la tierra a pastar. Con casi dos toneladas, era uno de los animales más grandes de las praderas estadounidenses junto a los gomphoterios con forma de elefante.
†Purussaurus brasiliensis: esta especie de caimán de América del Sur fue uno de los cocodrilos más grandes de todos los tiempos. Su cráneo ancho era de 55 pulgadas de largo, y su cuerpo entero puede haber sido de 40 pies de largo y pesaba 9 toneladas, tan grande o más grande que los varios cocodrilos enormes del período Cretácico. En lugar de dinosaurios, los purusaurios cazaban tortugas gigantes, peces, delfines de río, grandes mamíferos terrestres y quizás otros crocodilianos. Su fuerza de mordida se ha estimado en alrededor de 69,000 Newtons, y es capaz de desgarrar a su presa utilizando la técnica de «rollo de muerte» utilizada por los crocodilianos vivos.
†Odobenocotops peruvianus: esta ballena dentada vivía en las aguas de la costa oeste de América del Sur y pudo haber sido pariente de los narvales. Al igual que los narvales, los Odobenocotops tenían colmillos, excepto que estos colmillos venían en un par y se proyectaban hacia la parte trasera. Esto le dio a la ballena una cara de morsa y, como morsas, probablemente se alimentaba de moluscos en el lecho marino. Los colmillos, que eran más largos en el lado derecho del animal que en el lado izquierdo, pueden haber sido utilizados para alimentarse, como órgano sensorial o para defenderse, aunque estas ballenas del tamaño de un delfín no habrían tenido muchas posibilidades contra el enorme tiburón Megalodón. †Amphicyon ingens: los perros oso eran una familia de carnívoros estrechamente relacionados con osos y perros con características de ambos animales, incluyendo patas largas y poderosas, mandíbulas fuertes y colas largas. Amphicyon era uno de los más grandes y avanzados de su tipo y se parecía más a un oso que a un perro, pesando más de 1000 libras. Su cráneo fue construido como el de un oso, pero sus dientes se parecían a los de un lobo. Tenía una cola larga y gruesa, cuello musculoso y extremidades robustas adaptadas para correr. Los perros oso eran mucho mejores cazadores de persecución que los depredadores anteriores, como los entelodontes y los nimrávidos, y la invasión del perro oso a América del Norte desde Asia puede haber llevado a estos depredadores a la extinción en el Mioceno. Amphicyon pudo haber sido un omnívoro, comiendo plantas y carne. †Amebelodon fricki: Amebelodon fue uno de los muchos elefantes de cuatro colmillos o gomphoterios que se hicieron muy comunes en América del Norte, África y Eurasia durante el Mioceno. Amebelodon solo vivía en América del Norte y tenía colmillos tanto en la mandíbula superior como en otros elefantes, y en la mandíbula inferior alargada. Estos colmillos eran muy útiles para pelar la corteza de los árboles, romper ramas y agarrar bocados de hierba de agua. A diferencia de otros gomphoterios que tenían troncos cortos y planos, Amebelodon tenía un tronco más largo, más parecido a un elefante, que era más útil para alimentarse y beber.† Paleotragus germaini: este gran explorador fue uno de los muchos jiráfidos en África y Eurasia. Con casi 10 pies de altura, con un cuello largo y un par de osicones altos; cuernos cubiertos de piel, Paleotragus parecía una jirafa corta o un okapi gigante. Probablemente prefirió vivir en áreas más boscosas donde pudiera encontrar suficiente follaje en lugar de las llanuras abiertas y cubiertas de hierba en las que pastaban los primeros bóvidos y caballos.