Das Pleistocän beginnt sowohl in Nordamerika als auch in Europa mit einer Fauna, die noch Arten eines warmen Klimas und sogar erloschene Gattungen enthält. In Nordamerika ist die Sheridanformation von Nebraska und das Rock Creek-Bed von Texas charakterisiert durch das erstmalige Erscheinen der Gattungen Equus, Antilocapra und Castoroides neben Elephas, Platygonus, Eschatius, Camelops, Felis, Canis, Lutra und Mylodon, während der Merycodus-ähnliche Capromeryx im Aussterben begriffen ist und die Nager, abgesehen von Castoroides, nur durch lebende Gattungen vertreten sind. In Europa finden wir die älteste pleistocäne Tiergesellschaft im Cromerforest-Bed von England und Holland, bei St. Prest und in Mauer bei Heidelberg, welch letztere Lokalität vor kurzem durch den Fund eines Menschenkiefers so große Berühmtheit erlangte. Neuere Untersuchungen der an diesen Orten gesammelten Tierreste haben den Nachweis erbracht, daß zwischen Pliocän und Pleistocän keineswegs eine so scharfe Grenze besteht, wie es bis dahin den Anschein hatte, denn wir treffen hier noch pliocäne Arten, nämlich Hippopotamus major, Equus Stenonis, Rhinoceros etruscus, Elephas meridionalis, Ursus arvernensis, Canis neschersensis, Lynx issiodorensis und Hyaena arvernensis, ja einige dieser Arten reichen sogar noch in die etwas jüngere Fauna von Mosbach bei Mainz hinauf, wo sich zu ihnen Capreolus caprea, Cervus elaphus, Alces latifrons, Bison priscus, Sus scrofa und Castor fiber gesellen, welche dann mit Ausnahme von Ursus Deningeri und Alces latifrons in allen jüngeren Pleistocänablagerungen, die während eines wärmeren Klimas entstanden, wiederkehren, wie z. B. in Taubach, Krapina und in den Höhlen von Mentone. Neben ihnen kommt gelegentlich auch noch ein Inuus, Hippopotamus und Machairodus latidens sowie Hyaena striata vor. In Asien (China) lebten während des älteren Pleistocäns noch Hyaenarctos, Chalicotherium und ein riesiger Tapir neben Rhinoceros sinensis und plicidens, gewissermaßen die Stellvertreter des europäischen Mercki, ferner Elephas namadicus, Hyaena, Hirsch und Schwein. In das Altpleistocän fällt außer der Fauna des Narbadatales auch die durch das Vorkommen von Pithecanthropus so berühmt gewordene Fauna von Trinil auf Java mit Macacus, Mececyon, Feliopsis, Stegodon, Rhinoceros, Hippopotamus, Sus, Cervulus, Axis, Duboisia, mit Boselaphus verwandt, Buffelus und Bibos, welche insgesamt nur durch ausgestorbene Arten repräsentiert sind, was deutlich genug für das hohe Alter dieser Fauna spricht.
In Nordamerika scheint das eigentliche Mittelpleistocän charakterisiert zu sein durch das Verschwinden von Camelus, Arctotherium und von Elephas Columbi, an deren Stelle Mammut, Mastodon, Odocoileus, Haploceras, Bison, Alces, Ovibos, Rangifer, Cervus und Ursus treten, jedoch erhalten sich anfangs noch Machairodontinen, Megalonyx, Mylodon, Equus, Tapirus und Mylohyus. Eine Fauna aus dieser Periode scheint in der berühmten Port Kennedy-Höhle von Pennsylvanien enthalten zu sein, vielleicht auch in Mergeln von Westkansas. Auch in der Potter Creek-Höhle in Kalifornien und am Silver Lake in Oregon hat man noch Megalonyx und Nothrotherium sowie Equus und Elephas gefunden. Die Mehrzahl der Tierreste verteilt sich jedoch schon auf noch lebende Arten der Carnivoren, Nager, Hirsche, Bison, neben welchen allerdings Mastodon americanus zum erstenmal erscheint. Auch finden sich hier eigentümliche Ovibos-ähnliche, vollkommen ausgestorbene Formen — Preptoceras und Euceratherium. Die jüngsten Pleistocänfaunen Nordamerikas z. B., die aus einer Felsspalte in Arkansas bestehen, abgesehen von Equus, einem Machairodontinen und einem Moschusochsen, Symbos, nur mehr aus solchen Arten, welche noch heutzutage Nordamerika bewohnen.
Die Veränderungen in der Zusammensetzung der Tierwelt, das Aussterben oder doch Auswandern von wärmeliebenden Formen war in Nordamerika und in Europa vor allem bedingt durch die ausgedehnte Vergletscherung, allein in Nordamerika kennt man anscheinend außer der eben erwähnten Conard-Spalte in Arkansas keine Lokalität, wo eine größere Anzahl der nunmehr eingewanderten kälteliebenden oder doch der Kälte angepaßten Arten zum Vorschein gekommen wäre. In Europa hingegen spielt die Fauna der eigentlichen Eiszeit eine viel wichtigere Rolle als die präglaziale und interglaziale wärmeliebende Säugetierwelt. Fast in keiner Höhle von England, Belgien, Frankreich, Deutschland und Österreich-Ungarn wird man vergeblich nach Knochen und anderen Resten von Höhlenbär, Höhlenhyäne, Renntier, Rhinoceros antiquitatis und Mammut suchen, auch Höhlenlöwe, Vielfraß, Gemse und Steinbock sowie Saigaantilope und Moschusochse sind zuweilen mit ihnen vergesellschaftet. Die nämlichen Arten haben auch öfters im Löß, seltener in fluviatilen Ablagerungen Überreste hinterlassen. Ein nicht unwesentliches Element der jüngsten europäischen Pleistocänfauna sind ferner auch gewisse Nager — Cuniculus, Lemmus, Ochotona, Dipus, Alactaga, Bobak, welche heutzutage teils die arktischen Tundren, teils die Steppen Rußlands und des westlichen Asien bewohnen. Nach dem definitiven Zurückweichen der Gletscher zogen sie sich freilich in ihre heutigen Wohnsitze zurück. Auch Ren und Moschusochse wichen aus dem gemäßigten Teile Europas, während Löwe und Hyäne wohl nur durch den Menschen aus Europa verdrängt wurden. Um so rätselhafter erscheint uns dagegen das Aussterben von Mammut, Rhinoceros und Höhlenbär, denn es ist kaum anzunehmen, daß der Mensch allein sie ausgerottet hätte, wie das mit dem Riesenhirsch, mit Bison und Auerochs der Fall war.
Aus Afrika waren bis vor kurzem keine fossilen Säugetiere bekannt mit Ausnahme von jenen aus dem Pleistocän von Algier und einigen spärlichen Resten aus dem dortigen Tertiär. Nichtsdestoweniger spielte jedoch Afrika bei zoogeographischen Spekulationen eine hervorragende Rolle. Es sollte vor allem die Heimat aller pliocänen Säugetiere von Europa und Asien sein, auch soll es einen großen, afrikanisch-südamerikanischen Kontinent gegeben haben, und selbst die dann und wann im europäischen Eocän auftauchenden neuen Formen sollten unfehlbar aus Afrika stammen. Jetzt, wo wir Reste von Landsäugetieren sowohl aus dem Eocän und Oligocän, als auch aus dem Miocän und Pliocän von Ägypten kennen, stellt sich heraus, daß diese beiden jüngeren Faunen keine anderen Elemente enthalten als die gleichalterigen Tiergesellschaften von Europa und Asien, und daß mithin Afrika, wenigstens Nordafrika, auch damals schon faunistisch zu Eurasien gehörte. Im Eocän ist die Landsäugetierfauna nur auf zwei Gattungen, Moeritherium und Barytherium, beschränkt, die beide Subungulaten sind, und die Fauna des Oligocäns erweist sich als eine eigentümliche Mischung von einheimischen Formen, Subungulaten — Proboscidia, Palaeomastodon und Moeritherium —, Hyracoidea — den zahlreichen Saghatheriidae — und Arsinoitheria einerseits und von Einwanderern aus Nordamerika und Europa anderseits. Aus Europa stammen Ancodus, Apterodon, Pterodon und ein nicht näher bestimmbarer großer Creodontier, die Nager Phiomys und Metaphiomys und wohl auch die Fledermaus, Provampyrus. Nachkommen alter nordamerikanischer Typen sind hingegen die Primaten — Parapithecus, Moeripithecus und Propliopithecus, wohl hervorgegangen aus Anaptomorphiden, der Insectivore Metolbodotes und wahrscheinlich auch Ptolemaia und Metasinopa. Es sind also nur die Subungulata ein wirklich afrikanisches Element und selbst diese könnten schließlich auch aus Condylarthren oder doch aus den primitivsten Placentaliern hervorgegangen sein und mithin praktisch auch nur Glieder der alten arktogäischen Fauna. Auf keinen Fall sind sie mit den südamerikanischen Notoungulata näher verwandt.
Die lebende und subfossile Säugetierwelt der Insel Madagaskar stellt ein eigentümliches Gemisch von primitiven und modernen Typen dar. Die letzteren sind vor allem repräsentiert durch die Zwergform von Hippopotamus, der offenbar erst spät vom Kontinent her eingewandert ist, und Cryptoprocta ist wohl nur der Nachkomme eines miocänen europäischen Carnivoren. Dagegen lassen sich sowohl die noch lebenden als auch die ausgestorbenen, zum Teil riesigen Lemuriden nur von den Adapiden des europäischen Eocäns ableiten, und als Verwandte der Centetiden kommen nur gewisse Insectivoren des nordamerikanischen Oligocäns in Betracht, mit welchen sie auch geographisch durch die westafrikanische Gattung Potomogale und den auf Kuba lebenden Solenodon verbunden sind.
Aus den übrigen Teilen der südlichen Halbkugel waren von fossilen Säugern lange Zeit nur die Pampastiere und die Reste aus brasilianischen Höhlen sowie die ausgestorbenen Beuteltiere und die Monotremen Australiens bekannt. Nur allmählich erweiterten sich unsere Kenntnisse ein wenig durch Funde im Tertiär von Patagonien. Erst die umfassenden Aufsammlungen Ameghino's in diesem Gebiete gaben uns ein wirkliches Bild von der Mannigfaltigkeit der hier begrabenen Tierwelt, welche allerdings einen ganz fremdartigen Charakter aufweist. Statt der uns gewohnten Paar- und Unpaarhufer und der Proboscidier treffen wir hier Huftiere, die infolge des kurzen Schädels, der meist hohen Unterkiefer, des gewölbten Rückens, der niedergedrückten Vorderextremität, der tiefen Kopfstellung und der kurzen, meist dreizehigen und häufig mit stumpfen Krallen, nur selten mit Hufen versehenen Extremitäten eher das Aussehen von Nagetieren wie etwa von Capybara besitzen. Andere erinnern mehr an Hasen. Statt der Fledermäuse, Insectivoren und Raubtiere finden wir Beuteltiere, die zum Teil an die australischen Raubbeutler, zum Teil noch an die mesozoischen Allotheria erinnern. Ein wichtiges, Südamerika eigenes Element bilden auch die hier schon frühzeitig auftretenden Edentaten und selbst die etwas später erscheinenden Nager gehören Familien an, die noch heutzutage fast ausnahmslos auf Südamerika beschränkt sind. So fremdartig diese Tierwelt uns nun auch beim ersten Anblick erscheint, so ergeben sich bei näherer Betrachtung doch gewisse Anklänge an Formen der nördlichen Hemisphäre, denn ein Teil der Huftiere, die Litopterna, die in Gebiß und Extremitäten ein allerdings karikaturenhaftes Perissodactylengepräge zur Schau tragen, zeigt doch gewisse Beziehungen zu den Phenacodontiden, und selbst die so eigenartigen Typotheria, Toxodontia, Entelonychia und Astrapotherioidea beginnen mit Formen, deren Backenzähne sich allenfalls von jenen von Periptychiden — Haploconus, Anisonchus — ableiten lassen. Ebenfalls auf Typen des ältesten Eocäns von Nordamerika, auf die Ganodonta, gehen wohl auch die Gravigrada zurück, und der älteste Vertreter der Gürteltiere war vielleicht auch ein Bewohner Nordamerikas, die Gattung Metachiromys, und was die oben erwähnten Beuteltiere betrifft, so stammen sie wahrscheinlich ebenfalls aus Nordamerika, und zwar teils von den Allotheria, teils von Didelphys-ähnlichen Typen des Laramiebed, der oberen Kreide. Die erst später auftretenden Nager haben allerdings einen anderen Ursprung. Ihre Vorfahren waren in Europa und Nordafrika beheimatet. Sie wanderten wahrscheinlich passiv, nämlich durch Raubvögel von Insel zu Insel verschleppt, und bedurften hierbei keiner soliden Landbrücke, es genügte hierfür vielmehr schon die Existenz einer Inselreihe zwischen Westafrika und Brasilien.
Die ältesten Schichten in Südamerika, aus welchen Säugetiere in nennenswerter Anzahl zum Vorschein kamen, sind die Notostylopsschichten von Casa mayor am Golf St. George in Patagonien, welchen etwa ein obereocänes Alter zukommt. Es sind hier mit Ausnahme der Nager schon fast alle Typen der fossilen südamerikanischen Säugetierwelt vertreten, aber erst durch kleine oder höchstens mittelgroße Formen mit durchwegs brachyodonten Backenzähnen, die Typotheria durch die Notopithecidae und allenfalls auch durch die etwas ferner stehenden Archaeopithecidae und Acoelodidae, die Entelonychia, durch Notostylopidae, Isotemnidae und Homalodontotheriidae — Thomashuxleya —, die Astrapotherioidea durch die Trigonostylopidae, Albertogaudryidae und die Litopterna durch die bunodonten Gattungen Didolodus und eine Anzahl anderer höchst mangelhaft bekannter Formen. Auch gibt es bereits Vertreter der so rätselhaften Pyrotheria, von denen namentlich Carolozittelia fast eine gewisse Verwandtschaft mit Pantolambda vermuten läßt. An die Allotheria erinnern die ebenfalls zu den Marsupialiern gehörigen Polydolopidae, die Raubbeutler haben schon einige Repräsentanten in Formen wie Procladosictis, Pharsaphorus sowie in den Didelphys-ähnlichen Gattungen Ideodidelphys, denen sich die eigentümlichen, bunodonten Caroloameghiinidae am besten anreihen lassen. Edentaten fehlen zwar keineswegs, allein die meisten der höchst problematischen Gattungen gehören schon in die nächste Nähe der lebenden Dasypodiden, und die einzige Gravigradengattung Protobradys ist nur sehr unvollständig bekannt.
Die nächstjüngere Säugetierfauna von Patagonien, die der oligocänen Astraponotusschichten, läßt sich am besten als die Fortsetzung der Notostylopsfauna charakterisieren, sie ist aber zweifellos viel ärmer an Gattungen und Arten und bis jetzt nur sehr mangelhaft bekannt. Als neue Typen erscheinen eigentlich nur die Notohippidae, deren Zahnkronen erst eine ganz mäßige Höhe erlangt haben, Archaeohyracidae mit prismatischen Zähnen, Astrapotheriidae — Astraponotus — und von Edentaten die ersten Glyptodontia.
Die folgende Fauna, die der Pyrotheriumschichten südlich von Cabo Blanco, zeigt erhebliche Fortschritte gegenüber den beiden älteren und hat mit der am besten bekannten und formenreichsten Fauna Patagoniens, dem Santacruzeno, so viele Gattungen gemein, daß über ihr miocänes Alter nicht der leiseste Zweifel bestehen kann. Die rätselhaften, hier zum letzten Male vorkommenden Pyrotheria erreichen jetzt den Höhepunkt ihrer Entwicklung in der gewaltigen Gattung Pyrotherium. Die Typotheria und Toxodontia haben jetzt insgesamt schon prismatische Zähne. Die Notohippidae sind hier besonders zahlreich, auch erscheinen die ersten Nesodontidae, anscheinend sogar schon ein großer Nesodon, und Interatheriidae, Plagiarthrus. Von den Entelonychia sind zwar die Isotemnidae im Aussterben begriffen, dafür erreichen die Leontiniidae schon gewaltige Körpergröße — Leontinia, Ancylocoelus —, desgleichen die Astrapotheriidae und ebenso von den Homalodontotheriidae die Gattung Asmodeus. Die Litopterna sind jetzt schon als Protherotheriidae und Macraucheniidae spezialisiert, die letzteren aber nur durch ziemlich kleine brachyodonte Formen vertreten. Unter den Edentata bilden die Dasypoda die direkte Fortsetzung der Formen der Notostylopsschichten, die Glyptodontia und Gravigrada unterscheiden sich kaum mehr von den späteren, und ebensowenig ist dies bei den Dasyuridae der Fall. Dagegen sind die Polydolopidae verschwunden und gewissermaßen durch die ersten Caenolestidae — Palaeothentes, Parabderites und Halmariphus ersetzt. Als besonders wichtiges Moment muß die jetzt erfolgte erste Einwanderung von Nagern — Cephalomys und Eosteiromys — bezeichnet werden.
Zwischen diese Fauna und die des Santacruzeno schaltet sich zeitlich und morphologisch die Fauna der Colpodonschichten ein, die nach Tournouer am Coli Huapi-See besonders gut entwickelt sein soll. Ameghino zitiert hieraus höchst zweifelhafte Primaten — Homunculites und Pitheculites —, von Nagern treten neue Typen auf, Acaremys, Spaniomys und Perimys, unter den Edentaten verdient Propalaeohoplophorus und unter den Notohippidae, die hier zum letzten Male vertreten sind, Argyrohippus wegen der dicken Schmelzbedeckung seiner Backenzähne besonderes Interesse. Die Entelonychia werden zwar schon formenärmer, dafür ist jedoch die wichtige hierher gehörige Gattung Colpodon um so häufiger. Typotheria, Litopterna und Astrapotheriidae sowie Dasyuridae bieten nichts, was besondere Erwähnung verdiente, dagegen darf der Umstand, daß die Nesodontidae jetzt schon typisch ausgeprägt erscheinen, nicht mit Stillschweigen übergangen werden. Zeitlich scheint diese Fauna der sonst marin ausgebildeten Patagonischen Stufe zu entsprechen.