Органический мир моря палеогенового периода был очень разнообразен. Среди беспозвоночных господствовали двустворчатые и брюхоногие моллюски, фораминеферы, широкое распространение получили морские ежи, кораллы, губки, мшанки, остракоды, а из растений — золотистые и диатомовые водоросли.

Простейшие — фораминиферы получили исключительное развитие в палеогене, в большом количестве были представлены как планктонные, так и бентосные формы.

Двустворчатые и брюхоногие моллюски достигли в палеогене исключительного разнообразия. В отличие от других классов моллюсков, они обитали не только в морях с нормальной соленостью, но и в соленоватоводных и пресноводных бассейнах, а брюхоногие к тому же были широко распространены на суше в субаэральных условиях. Число их родов и видов очень велико.

Теплые воды палеогеновых морей нормальной солености были благоприятны для широкого распространения морских ежей, шестилучевых кораллов, которые с другими организмами участвовали в формировании коралловых рифов.

Среди морских позвоночных, как и в позднем мелу, господствовали костистые рыбы, в палеогене они были достаточно разнообразны. Кроме костистых обитали хрящевые — акуловые и скаты. В палеогеновых морях появились древние киты, сирены, дельфины — млекопитающие, перешедшие к обитанию в морской среде.

Органический мир суши. Наземная фауна палеогена сильно отличалась от мезозойской. Пресмыкающиеся были представлены немногочисленными крокодилами, ящерицами, черепахами и змеями; земноводные — гигантские саламандры, лягушки и жабы — не играли заметной роли среди позвоночных палеогена, а птицы, наоборот, доминировали в воздухе и быстро эволюционировали.

Млекопитающие в течение палеогена быстро развивались, господствовали на суше и достигли большого разнообразия. В эоцене существовали основные отряды кайнозойских грызунов, хищных, непарно- и парнокопытных, появились первые немногочисленные насекомоядные и зайцеобразные. Из копытных достигли расцвета непарнокопытные, эволюция этого отряда хорошо восстановлена у семейства лошадей. В олигоцене достигли огромных размеров древние носороги, среди которых встречаются гиганты — безрогие индрикотерии, они были распространены в Азии и обитали в лесостепях и саваннах. Это были самые крупные млекопитающие, обитавшие на суше (по длине и массе тела они уступали только динозаврам). Постепенная аридизация климата в азиатских степях привела к вымиранию индрикотериев в начале неогена. Парнокопытные появились позже, в олигоцене существовали примитивные свиньи, верблюды, олени и др., их эволюция происходила в основном в неогене.

Приматы — типичные млекопитающие кайнозоя — появились, вероятно, в конце мезозоя. В начале палеоцена уже существовали лемуры — наиболее примитивная группа среди современных приматов, называемых полуобезьянами. В конце эоцена появились настоящие обезьяны — антропоиды, древнейшие остатки которых известны из нижнего олигоцена Египта. В начале олигоцена наиболее примитивными были парапитеки — возможные предки более высокоразвитых антропоидов.

В Африке развивались различные растительноядные млекопитающие, среди них крупные хоботные, их расцвет наступил в неогене. На изолированной Австралии в палеогене возникла уникальная фауна сумчатых и однопроходных. В Южной Америке обитали сумчатые хищные и различные причудливые растительноядные млекопитающие — предки современных ленивцев, броненосцев и др.

Среди наземной флоры продолжалось развитие покрытосеменных, чему способствовал теплый климат палеогена. В Европе до берегов Балтийского моря произрастали густые тропические и субтропические леса с вечнозелеными пальмами, магнолиями, миртами, фикусами; из хвойных — гигантские секвойи, араукарии, кипарисы; в лесной тени — папоротники; по морскому побережью — мангровая растительность. Подобная флора существовала в Америке, Африке и в Азии. Листопадные деревья — дуб, бук, каштан, береза, тополь и некоторые хвойные преобладали на севере Европы (включая Гренландию и Шпицберген), на большей части Азии и на севере Америки. На всей этой территории произрастали также отдельные представители субтропической растительности. Климат здесь был близок к современному климату Средиземноморья, Калифорнии.

В палеогене отчетливо выделяются три этапа обновления покрытосеменных: палеоценовый, эоценовый и олигоценовый, что связано с постепенным похолоданием и общей эволюцией растений. Теплолюбивая флора Евразии и Северной Америки постепенно смещалась к югу, сменяясь в умеренном поясе листопадными и хвойными лесами. Кроме похолодания на обширных площадях происходила аридизация климата. На огромной территории Центральной Азии это привело к постепенному исчезновению лесов и развитию лесостепей, степей и саванн. В олигоцене здесь преобладали злаки, а деревья и кустарники сохранились по долинам рек.

Состав и расселение органического мира в палеогене свидетельствуют о существовании зоо- и фитогеографических провинций. По морским беспозвоночным установлены Средиземноморская провинция с теплым климатом, к югу и северу от нее находились провинции с умеренным климатом. Эта зональность подтверждается и расселением растений, она существовала в течение всего палеогена.

Органический мир неогенового периода имеет типично кайнозойский облик. В течение неогена он постепенно приобрел черты, близкие к современным. Особенно отчетливо это проявилось на суше, где продолжалось понижение температуры и иссушение климата.

Органический мир моря. В морях продолжали развитие те же группы организмов, что и в палеогене. Преобладали простейшие, двустворчатые и брюхоногие моллюски, членистоногие — остракоды. Все эти организмы имеют важное стратиграфическое значение. Реже находят в отложениях палеогена остатки губок, кораллов, мшанок, бра-хиопод, иглокожих, разных рыб и водных млекопитающих.

Фораминиферы были широко распространены в Мировом океане, в их составе произошли изменения. Среди крупных фораминифер вымерли нуммулиты, ассилины и дискоциклины, их немногочисленные потомки обитали в тропических морях. Воды Мирового океана изобиловали планктонными фораминиферами из тех же семейств, которые обитали в палеогене, но их родовой состав изменился и к концу неогена приобрел современный облик.

В морях обитали шестилучевые кораллы, но область их распространения стала меньше, границы обитания рифостроящих форм приблизились к экватору. Среди членистоногих были широко распространены остракоды, другие группы встречаются редко. В морях разных широт жили радиолярии, губки, иглокожие, мшанки и брахиоподы. Их состав несколько изменился по сравнению с палеогеновым, а в конце неогена приобрел современный облик.

Среди водных позвоночных господствовали костистые рыбы, их остатки встречаются в морских, реже в солоноватоводных и пресноводных отложениях. В морях обитало много хрящевых рыб, в плиоцене существовали акулы, длина тела которых достигала 30 м, а диаметр открытой пасти был свыше 2 м. В начале неогена появились ластоногие — тюлени, моржи и др. К концу неогена состав костистых рыб и морских млекопитающих был аналогичен современному.

В неогеновых морях обитала масса одноклеточных водорослей — диатомовых и золотистых (кокколитофорид).

Органический мир суши претерпел более глубокие изменения, причем наиболее значительные испытали млекопитающие, которые должны были приспособиться к жизни не только в лесах, но и в степях и лесостепях. Начали развиваться современные семейства и роды хищных, копытных, хоботных: в миоцене появились медведи, гиены, куницы, собаки, барсуки, мастодонты, носороги, быки, овцы и др.: в плиоцене — ласки, рассомахи, слоны, гипопотамы, олени, гиппарионы (трехпалые лошади), настоящие лошади. Приспособление к быстрому бегу и питание жесткими травами вызвали быструю эволюцию лошадиных.

В неогене обособились фаунистические провинции. В раннем и среднем миоцене животный мир Евразии и Северной Америки развивался обособленно. В Евразии обитали различные хищные, хоботные, однорогие носороги, обезьяны. В Северной Америке не было хоботных, обезьян, бедно представлены хищные, но зато быстро развивались копытные. В позднем миоцене начался обмен млекопитающими, что свидетельствовало о наличии «моста» между двумя континентами, но эти связи уменьшились в начале плиоцена и совсем прекратились в четвертичном периоде. В Южной Америке млекопитающие развивались обособленно и находились на гораздо более низкой стадии развития, чем их сородичи в Северном полушарии. Наиболее примитивной была фауна млекопитающих Австралии, состоящая из сумчатых и однопроходных.

Приматы в неогене продолжали свое развитие, они обитали не только в лесных массивах, но и в пограничных участках древних лесов и лесостепей. Из верхнемиоценовых отложений Европы известны остатки обезьян — дриопитеков, напоминающих современных шимпанзе. Многие антропологи считают их предками всех человекообразных обезьян (понгид) и людей (гоминид). Древнейшим представителем гоминид считают рамапитека из позднего миоцена Индии и Кении. Много ископаемых остатков древних гоминид известно из отложений верхнего плиоцена Восточной и Южной Африки, они принадлежат разновидностям австралопитеков: австралопитеку, парантропу, зинджантропу и др. Все эти формы были гораздо ближе к людям, чем любые человекообразные обезьяны.

Наземная флора миоцена была по составу и расселению близка к палеогеновой, хотя в тропической провинции Западной Европы сократилось число пальм, миртов и лавров. Вместо них появились листопадные деревья и хвойные. В северной провинции произрастали тополь, береза, ива, клен, грецкий орех, ель, пихта, сосна и др. Особенностью неогеновой флоры (по сравнению с палеогеновой) является постепенное оттеснение на юг теплолюбивых форм и исчезновение некоторых из них в Европе. Этот процесс продолжался в плиоцене; в Сибири—к концу периода весь север Сибири был покрыт хвойными лесами.

Таким образом, в конце неогена в Евразии установились современные флористические провинции. Морские зоогеографические провинции стали близки к современным, по сравнению с палеогеном сократились размеры тропической провинции.