Het Eoceen-tijdperk begon 10 miljoen jaar na het uitsterven van de dinosauriërs, 65 miljoen jaar geleden, en duurde nog eens 22 miljoen jaar, tot 34 miljoen jaar geleden. Net als in het voorgaande Paleoceen-tijdperk, werd het Eoceen gekenmerkt door de voortdurende aanpassing en verspreiding van prehistorische zoogdieren, die de ecologische nissen vulden die door de ondergang van de dinosauriërs werden opengelaten. Het eoceen vormt het middelste deel van de Paleogene periode (65-23 miljoen jaar geleden), voorafgegaan door het Paleoceen, en opgevolgd door het Oligoceen-tijdperk (34-23 miljoen jaar geleden); al deze periodes en tijdperken maakten deel uit van het Cenozoïcum (65 miljoen jaar geleden tot nu).
Wat het klimaat betreft, ging het Eoceen verder met waar het Paleoceen ophield, met een voortdurende stijging van de mondiale temperaturen tot bijna-Mesozoïsche niveaus. Het laatste deel van het Eoceen zag echter een uitgesproken wereldwijde koeltrend, waarschijnlijk gerelateerd aan afnemende niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer, die culmineerde in de hervorming van ijskappen op zowel de noord- als de zuidpool. De continenten van de aarde bleven afdrijven naar hun huidige posities, nadat ze waren gescheiden van het noordelijke supercontinent Laurasia en het zuidelijke supercontinent Gondwana, hoewel Australië en Antarctica nog steeds verbonden waren. Het Eoceen-tijdperk was ook getuige van de opkomst van de westelijke bergketens van Noord-Amerika.
Perissodactylen (oneven hoefdieren, zoals paarden en tapirs) en artiodactylen (evenhoge hoefdieren, zoals herten en varkens) kunnen allemaal hun afstamming herleiden tot de primitieve zoogdiergenera van het Eoceen-tijdperk. Phenacodus, een kleine, generiek ogende voorouder van hoefdieren, leefde tijdens het vroege Eoceen, terwijl het late Eoceen getuige was van veel grotere "donderbeesten" zoals Brontotherium en Embolotherium. Vleesetende roofdieren evolueerden synchroon met deze plant-kauwende zoogdieren: het vroege Eoceen Mesonyx woog slechts zoveel als een grote hond, terwijl het late Eoceen Andrewsarchus het grootste terrestrische vleesetende zoogdier was dat ooit heeft geleefd. De eerste herkenbare vleermuizen (zoals Palaeochiropteryx), olifanten (zoals Phiomia) en primaten (zoals Eosimias) evolueerden ook in de loop van het Eoceen-tijdperk.
Zoals het geval is met zoogdieren, kunnen veel moderne orden van vogels hun wortels herleiden tot voorouders die leefden tijdens het Eoceen-tijdperk (hoewel vogels als geheel evolueerden, misschien meer dan eens, tijdens het Mesozoïcum). De meest opvallende vogels van het Eoceen waren gigantische pinguïns, zoals getypeerd door de 100-pond Inkayacu van Zuid-Amerika en de 200-pond Anthropornis van Australië. Een andere belangrijke eoceenvogel was Presbyornis, een prehistorische eend ter grootte van een peuter.
Krokodillen (zoals de vreemd gehoeide Pristichampsus), schildpadden (zoals de grote ogen Puppigerus) en slangen (zoals de 33-voet lange Gigantophis) bleven allemaal bloeien tijdens het Eoceen-tijdperk, velen van hen bereikten aanzienlijke maten terwijl ze vulde de nissen die door hun dinosaurusverwanten werden opengelaten (hoewel de meeste niet de gigantische afmetingen van hun directe Paleocene voorouders bereikten). Veel kleinere hagedissen, zoals de drie-inch-lange Cryptolacerta, waren ook een veel voorkomend gezicht (en voedselbron voor grotere dieren).
Het Eoceen-tijdperk was toen de eerste prehistorische walvissen het droge land verlieten en kozen voor een leven in de zee, een trend die culmineerde in de middelste Eoceen-Basilosaurus, die lengtes tot 60 voet bereikte en woog in de buurt van 50 tot 75 ton. Haaien bleven ook evolueren, maar er zijn weinig fossielen bekend uit dit tijdperk. In feite zijn de meest voorkomende mariene fossielen van het Eoceen tijdperk van kleine vissen, zoals Knightia en Enchodus, die de meren en rivieren van Noord-Amerika in uitgestrekte scholen lagen.
De hitte en vochtigheid van het vroege Eoceen tijdperk maakten het een hemelse tijd voor dichte oerwouden en regenwouden, die zich bijna helemaal tot de Noord- en Zuidpool uitstrekten (de kust van Antarctica was ongeveer 50 miljoen jaar geleden bekleed met tropische regenwouden!) Later in het Eoceen zorgde de wereldwijde koeling voor een dramatische verandering: de oerwouden van het noordelijk halfrond verdwenen geleidelijk om te worden vervangen door loofbossen die beter bestand waren tegen seizoensgebonden temperatuurschommelingen. Een belangrijke ontwikkeling was nog maar net begonnen: de vroegste grassen evolueerden tijdens het late Eoceen-tijdperk maar verspreidden zich pas miljoenen jaren later over de hele wereld (zorg voor vlakte-zwervende paarden en herkauwers).