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La extinción de casi todas las especies animales al final del Pérmico permitió la radiación de numerosas formas de vida nuevas. En particular, la extinción de los grandes herbívoros y los carnívoros Dinocephalia dejaron vacíos estos nichos ecológicos. Algunos fueron ocupados por los cinodontos y dicinodontos sobrevivientes, los últimos de los cuales posteriormente se extinguieron. Sin embargo, la fauna del Mesozoico estuvo dominada por los grandes arcosaurios que aparecieron unos pocos millones de años después de la extinción masiva del Pérmico-Triásico: dinosaurios, pterosauros y los reptiles acuáticos como ictiosaurios, plesiosauro y mosasauros.
Brachiosaurus (Jurásico) Ictiosaurio (Jurásico) Quetzalcoatlus(Cretácico) Ammonites (Cretácico)Los cambios climáticos de finales del Jurásico y Cretácico proporcionaron más condiciones favorables para la radiación adaptativa. En el Jurásico se produjo la mayor diversidad de los arcosaurios, y cuando aparecieron las primeras aves ymamíferos placentarios. La angiospermas se diversificaron en algún momento del Cretácico temprano, primero en los trópicos, pero el gradiente de temperatura les permitió la propagación hacia los polos a lo largo del período. Al final del Cretácico, las angiospermas dominaron la flora arbórea en muchas zonas, aunque algunas pruebas sugieren que la biomasa siguió dominado por cicas y helechos hasta después de la extinción masiva del Cretácico-Terciario.
Algunos investigadores han argumentado que los insectos se diversificaron con las angiospermas, porque su anatomía, especialmente las partes de la boca, parecen particularmente bien adaptados a las plantas con flores. Sin embargo, todas las partes principales de la boca de los insectos precedieron a las angiospermas y la diversificación de insectos en realidad se redujo cuando estas surgieron, por lo que su anatomía original debe haber estado adaptada para otros fines.
Cuando la temperaturas de los mares se incrementó, los animales más grandes de principios de la era mesozoica gradualmente comenzaron a desaparecer mientras que los animales más pequeños de todo los tipos, incluidos los lagartos,serpientes y quizás el antecesor de los primates, evolucionaron. La extinción masiva del Cretácico-Terciario acentuó esta tendencia.Los grandes arcosaurios se extinguieron, mientras que las aves y los mamíferos prosperaron, tal como lo hacen hoy.