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第三紀的早期，仍生活著古老、原始的哺乳動物。在古近紀之前所有的哺乳動物體型很小，盡是一類體長12厘米左右，與老鼠體型相仿的小型捕獵者。進入新生代后恐龍式微，于是哺乳動物得以占據更多的生態位，并迅速演化出具備豐富多樣性的成千上萬個不同物種來。最開始的靈長目動物都是非常小的，受到恐龍等物種的威脅，凡是大個的都被吃光了。后來又經過了撞擊事件的影響，所以活下來的都是很小的兔猴科等低等靈長類。低等靈長類也開始迅速地多樣化發展。

靈長類分為原猴亞目（低等靈長類）和類人猿亞目（高等靈長類）。

原猴亞目分為狐猴次目和眼鏡猴次目。狐猴次目分為最早期的免猴超科、狐猴超科和瘦猴超科。類人猿亞目分為闊鼻猴次目和狹鼻猴次目。闊鼻猴次目分為卷尾猴超科、狨猴超科和跳猴超科。狹鼻猴次目分為原上猿總科，猴總科和人型總科。闊鼻猴次目（又稱新大陸猴類）主要生活在美洲地區。狹鼻猴次目（又稱舊大陸猴類）主要分布在歐亞和非洲地區。猴科是靈長目最大一科，分為2亞科：猴亞科（獼猴亞科）和疣猴亞科。分布于非洲和亞洲。

人型總科包括人和真正的猿類，以大腦高度發達，沒有尾巴為主要特征。

現存的人型總科成員可以分成長臂猿科、猩猩科和人科，史前的成員則還包括原始的原康修爾猿科，并可能也包括山猿科和上猿科，猩猩科的一些早期成員也常單列為森林古猿科。

長臂猿科主要分布在東南亞，棲息于熱帶雨林和亞熱帶季雨林，樹棲，群居，每群包括1對雌雄及其子女，一般不超過5～6只。食物以漿果為主，也吃樹葉、小鳥、鳥蛋或昆蟲。每胎產1仔。

猩猩科分布于非洲和東南亞。猩猩現僅存于蘇門達臘北部以及婆羅洲的低地和山區的熱帶雨林，數量稀少。大猩猩分布于赤道非洲，是靈長類中體型最大者，站高1.3～1.8米，雌性體重70～120千克，雄性140～275千克。黑猩猩屬包括倭黑猩猩和黑猩猩，分布于非洲中部熱帶雨林，集群生活，能使用簡單工具，是已知僅次于人類的最聰慧的動物，其行為和社會行為都更近似于人類，在人類學研究上具有重大意義。

人科現僅1屬1種，即智人（現代人）。分布于世界所有大洲，早期類型僅分布于亞洲、非洲和歐洲的溫暖地區。直立步行，臂不過膝，體毛退化，手足分工，下頜骨淺且粗壯，犬齒和下第一前臼齒退化、牙釉質厚、3個臼齒的磨耗相差很大，大腦極為發達，有語言和勞動，有社會性和階級性。

古新世時，印度連同澳大利亞也與南極洲分隔開來，逐漸向北漂移。南極洲一角與南美洲逐漸連接到了一起。今天兩大洲的交界僅為一條德雷克海峽。在5000萬年前就出現了早期的蝙蝠和鯨。在古新世晚期高等靈長類已經出現，高等靈長類起源于非洲的原始狐猴。

始新世時印度與澳洲聯合形成一個超級板塊，并且向歐亞板塊沖去，古地中海因此消失，青藏高原因此升起。等到了4000萬年前，如今在哺乳綱下面的各個目就都基本出現了。

始新世時靈長類中的狐猴類繼續發展，它們的分布范圍廣，亞洲、北美、歐洲均曾發現。現在狐猴只分布于馬達加斯加島和科摩羅群島。眼鏡猴始新世出現于歐、亞、北美等地，現在分布在東南亞的部分島嶼上。曙猿是體型非常小的靈長類，體重只有100克左右，是現在最早發現的高等靈長類化石。

下一章介紹人類的最早祖先。