奇蹄目哺乳動物是各門類脊椎動物中，其進化歷史被研究得最清楚的1類。這類動物的趾（指）數常為奇數，腳的中軸通過中趾，第1趾（大拇指）和第5趾一般都已消失，這樣，前後腳通常隻有3個趾起作用，在進步的馬類中甚至隻有1個趾。多數動物趾端為蹄，但有一科指端為爪。在奇蹄類的踝部，距骨近端有一雙重隆起的滑車形的面，以與脛骨相關節，遠端與踝部其他骨頭相連處則為一扁平的面。奇蹄類的股骨，在其骨幹的外側有一顯著的突起，名第三轉子。這類動物的門齒通常齊全，組成一剪割植物的有效器器官，犬齒退化或消失；前臼齒在進化過程中逐漸趨向高度臼齒化。
現存奇蹄類，隻有馬、犀、貘3類，但在地質歷史時期內，除這3類動物的遠近祖先外，還有雷獸、爪獸、古獸等奇蹄動物。
目前已知最古老的奇蹄動物是發現於北美和歐洲的大約5500萬年前的始馬(Hyracotherium)，又被譯名為始祖馬，因為它是迄今所知最早的馬化石。亞洲也曾發現過此屬動物，但時代稍晚。北美是馬科進化發展的中心，早第三紀期間，由早始新世的始馬幾乎直線地發展出中始新世的山馬，晚始新世的後馬，早漸新世的中馬，中晚漸新世的細馬。其他大陸這時雖也曾有馬類的發展，如中國的黔馬(Qianohippus)，但不是進化的主支。新第三紀期間，馬類多次由北美遷往其他大陸，中國中新世的安琪馬，中新-上新世的三趾馬都是由北美遷入的。第四紀的真馬(Equus)也源於北美〔見馬科（化石）〕。
與馬科系統關系最為接近的是古獸科。這一科動物的歷史很短，隻見於始新世和漸新世，漸新世以後便絕跡瞭。歐洲是這類動物的發展中心。除歐洲外，僅中國有少量化石發現。這類動物的牙齒似馬，身材似小犀，鼻子似貘，前後足都隻有3趾。
雷獸科的歷史也很短暫。早始新世出現最早的雷獸──蘭佈達獸(Lambdotherium)，隻有犬那樣大，至中漸新世已發展成笨重的龐然大物，肩高可達2米，中漸新世以後突然消失。從開始出現到最後絕滅，雷獸的前足都有4趾，外趾不退化，後足有3趾。這類動物頭骨很原始，牙齒齒冠不高，下臼齒內側有兩個丘形齒尖，外側的齒尖發展成 W形脊。下臼齒由兩個前後相連 V形脊組成。早-中始新世的雷獸主要發展於北美，亞洲也有少數化石發現。晚始新世和早漸新世，亞洲的雷獸很繁盛，屬種非常多，其中有些向西擴展到東歐。
爪獸科動物的牙齒與雷獸相似，但身體遠不如雷獸笨重，如歐洲大陸的巨爪獸(Macrotherium)隻有馬那麼大，頭骨及體形輪廓亦像馬。不同之處在於它腿長，腳甚短，每腳有3趾，趾端有爪，而不是蹄。據推測，這種動物成小群地生活在河邊，以其爪挖掘植物根為食。爪獸科延續的歷史甚長，從始新世開始有其化石，一直到人類出現後才絕滅。但縱觀其整個進化歷史，這類動物始終沒有非常繁盛過。早第三紀期間，進化速度快，屬種相對也較多，自中新世以後，形態上變化不大（見圖）。中國早第三紀和新第三紀地層中都有其化石發現。
現在的犀隻有非洲的兩個種和亞洲的3個種。但在第三紀，犀繁盛而多樣，有善於長跑的，有適應於水邊生活的，有食嫩葉的，也有食幹草的。按照譜系關系，犀科分為跑犀亞科、兩棲犀亞科和真犀亞科3個亞科。
跑犀亞科出現於始新世中期，漸新世達到其全盛時期，以後漸趨消失。在北美和亞洲發現的漸新世的跑犀(Hyracodon)，身材小巧，細長的四肢適於迅速奔跑。前足4趾，後足3趾；上臼齒齒冠成Π形齒脊，下臼齒齒冠為兩個新月脊。這些脊形齒顯示出草食食性。
兩棲犀亞科興起於始新世晚期，從一開始它便是大而笨重的動物，有強壯的四肢和短而寬的腳。它還有類似貘的鼻骨結構，所以推測它是非常喜愛水的動物。晚始新世至早漸新世的中國北方，河川湖泊星羅棋佈，這類動物的化石非常豐富。漸新世結束不久，兩棲犀便絕跡瞭。盡管歷史短暫，這類動物一度很成功，分佈遍及亞洲、歐洲和北美。
包括現生幾個種在內的所有晚期犀都歸於真犀亞科。真犀亞科發展中又分化為好多個不同的進化支。晚始新世至晚漸新世，有一支向超巨型方向發展，名為巨犀。中漸新世的巨犀-雷神獸(Indricotherium)，站立時肩高5米以上，活著體重有好幾噸，是從古到今最大的陸生哺乳動物。巨犀無角，腿長、頸長，以樹葉為生。中新世的並角犀(Diceratherium)，其鼻部左右並列著一對角。中新世和上新世的遠角犀(Teleoceras)則在鼻部有獨角。狹義的南亞的真犀(Rhinoceras)，出現於晚中新世，一直延續至今。其角前後排列的各種雙角犀出現於新生代晚期，其中之一殘存下來，為現代的蘇門答臘犀(Dicerorhinus)。冰期寒冷氣候下生存的披毛犀(Coelodonta)也是雙角犀。晚新生代期間在歐亞大陸上還生活過一類大型犀，其代表屬即為板齒犀(Elasmothe rium)。它們的額上長著一支大角；牙齒齒冠非常高，為現代犀的3～4倍，齒骨內填滿瞭白堊，非常耐磨，估計它是食硬草的動物。中國已發現多種犀化石，其中如巨犀，很可能起源於中國或東南亞某地。
貘是現生奇蹄類中最原始的，除瞭鼻子特化，發展瞭一個能伸縮能卷的軟鼻以外，其他方面跟其中新世的祖先──中新貘(Miotapirus)差別不大。中新貘的鼻骨後縮，說明它也已有瞭軟鼻。自中新貘以後，貘類變化不大，屬種很少，除Tapirus外，巨貘(Megatapirus)化石僅發現於中國，但除個體大外，與現生貘無大差別。早第三紀期間，情形完全另一個樣，貘類非常繁多，中國每一個晚始新世和早漸新世化石點幾乎都有貘類發現。最早的貘譯名為始祖貘(Homogalax)，形態上和始祖馬差別甚微。早期的細微差別在漫長的地質時期內，進化發展為全然不同的兩類動物，馬和貘之間的關系如此，其他各科奇蹄動物之間的關系亦如此。