La recuperación de la catástrofe pérmica duró, por lo menos, unos 10 millones de años. Al inicio del triásico la fauna terrestre era muy escasa y uniforme, representada sobre todo por pocos géneros de reptiles mamiferoides.

El mesozoico se conoce como “la era de los reptiles”, debido a que se registró una gran diversificación de estos animales: reptiles acuáticos como Plesiosaurus, Mosasaurus e Ichthyosaurus, todos ellos grandes depredadores que ocuparon la cumbre de la pirámide trófica marina. Entre los animales terrestres, los arcosauros son interesantes porque dieron origen, por un lado, a los verdaderos cocodrilos y, por otro, a los pterosauros (reptiles voladores) y a los dinosaurios, que evolucionaron a partir de finales del triásico.

Los dinosaurios se clasifican en dos grupos importantes: Saurischia, que incluye a temibles carnívoros bípedos como Tyrannosaurus y Deinonychus, y a los grandes herbívoros cuadrúpedos como Apatosaurus y Diplodocus —clasificados entre los animales más grandes que han existido sobre la Tierra—; y Ornithischia, dinosaurios herbívoros cuyos representantes más conocidos son Stegosaurus, poseedor de grandes placas dorsales posiblemente usadas como termorreguladores, y Triceratops, dinosaurio con cuernos perteneciente a un linaje que dio origen a los únicos supervivientes del grupo: las aves.

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Archaeopterix, del jurásico medio, es importante porque su descubrimiento evidenció, por vez primera, la conexión entre reptiles y aves. Éste es un fósil excepcional, ya que muestra claramente la impresión de las plumas. De no haber sido así, por sus características generales se le habría considerado un dinosaurio carnívoro.

Durante el triásico (251-200 m.a.) y el jurásico (200-145 m.a.), un grupo de reptiles mamiferoides radió hacia formas carnívoras y herbívoras. Al final del cretácico se pueden reconocer los dos grandes grupos en que se dividen los mamíferos: los marsupiales, similares a los tlacuaches o zarigüeyas, y los eutéridos, mamíferos placentarios clasificados entre los insectívoros. Se cree que los dinosaurios causaron la desaparición de los terápsidos y el “estancamiento” evolutivo de los mamíferos mesozoicos, que mantuvieron un tamaño pequeño.

Entre los abundantes invertebrados acuáticos de esta era se encuentran los moluscos bivalvos, caracoles, amonites y belemnites, semejantes a calamares, además de erizos de mar y crustáceos. Muchos de estos grupos desarrollaron gruesos caparazones y espinas que seguramente constituían una protección contra depredadores cada vez más hábiles.

Las principales plantas fueron las gimnospermas de los tipos cícadas, ginkgos y coníferas. Al iniciarse el cretácico se pone en marcha uno de los eventos de coevolución más interesantes: a partir de un ancestro tipo gimnosperma evolucionan las angiospermas o plantas con flores y, junto con ellas, se inicia la coevolución de sus polinizadores, generalmente insectos. Desde entonces, plantas y polinizadores se han adaptado mutuamente optimizando su función.

La extinción masiva más conocida involucra a los dinosaurios. Ésta es la base para establecer el límite entre el mesozoico y el cenozoico. Además de los dinosaurios, se extinguieron en ese tiempo los plesiosaurios, los amonites y los moluscos bivalvos rudistas, muy abundantes en el cretácico.

Se ha propuesto una gran cantidad de hipótesis sobre las causas de esta extinción en masa; la más reconocida es la del impacto de un asteroide en lo que hoy es Yucatán, que originó el cráter de Chicxulub.