Неогеновий період почався 25 млн та закінчився близько 2 млн. років тому. Він складається з двох епох – ранньої (міоцену), що продовжувалась понад 20 млн. років, та пізньої (пліоцену), тривалістю близько 3 млн. років. Цей період загалом характеризкється низьким рівнем Світового океану, завершенням утворення сучасних гірських масивів, досить суворим кліматом з чіткою зональністю та кількома зледеніннями в північній та південній півкулях.
Наприклад, близько 12 млн. років тому під кригою перебувала частина Південної Америки (Патагонія), Антарктида (досьогодні), Нова Зеландія та майже вся Австралія. Все це спаричинювало часті як місцеві, так і глобальні біоценотичні кризи, що супроводжувались руйнуванням екосистем, формуванням нових біот, вимиранням одних та виникнення інших систематичних груп.
У кінці періоду фауна і флора загалом нагадували сучасні, відрізняючись здебільшого на видовому та частково родовому рівнях. Вимерла вкелика кількіст груп, характерних для палеогенного періоду; в міоцені зявилась більшість сучасних родин покритонасінних, комах, молюсків, птахів і ссавців. Відомі залишки африканських страусів; подібних до фороракосів форми розселилися з Південної Америки в Північну, а звідси – в Європу через перешийок між Америкою та Європою через Гренландію та Ісландію. Існування цього перешийка забезпечило взаємообмін фаун між цими материками: в Північній Америці з’явилися хоботні, в Європі та Азії – предки верблюдів та особливий рід трипалих конячних – гіпаріон. Його представники були дуже поширені в кінці міоцену та пліоцені в Євразії, в тому числі на території сучасної України, і дали назву специфічній викопній фауні степів тих часів (гіпаріонова фауна).
Початок міоцену в Східній Африці належали знайдені залишки перших людиноподібних мавп, які протягом епохи дали широку адаптивну радіацію та розповсюдились в Європу (дріопітеки) та Азію (рамапітеки); останні є предками сучасних орангутанів, а перші згодом повністю вимерли.
З пліоцену відомі найранніші викопні рештки таких безкільових птахів, як америнканські нанду та австральйські ему. Наприкінці періоду Південна Америка з’єдналася з Північною через Панамський перешийок, і між ними відбувся обмін частиною фаун. Північна Америка на той час мала усталені біоти, тому більшість південноамериканських видів у ній не прижилась (лишилось тільки 5 з них). У Південній Америці, навпаки, відбувалась біоценотична криза внаслідок завершення утворення Анд. Тому близько 50% сучасних родів плацентарних ссавців цього континенту – нащадки північноамериканських мігрантів. Ця подія дістала назву «великого обміну», який детально дослідив відомий американський зоолог Г.Сімпсон у 40-70-х роках ХХ сторіччя.
Викопні рештки примітивних істот з родини людей (гомінід) знайдено в Східній Африці. Їхній вік – 4-5 млн.років. Це були австралопітеки, яких існувало водночас кілька видів на африканському континенті. Кінець неогенового періоду характеризувався горотворчою активністю, частковим зледеніннням північної півкулі, змінами клімату, що призвело до вимирання багатьох груп організмів. Так, повністю зникла гіпаріонова фауна; значно зменшилось видове різноманіття хоботних.