在現代的動物分類學上，根據食肉類的各種不同的解剖上的細節，它們被區分成兩大類：犬形類和貓形類。再加上另外一類已經從陸生轉移到海裏、四肢已經由所謂裂腳變成鰭腳的鰭腳類，包括海獅、海豹、海象等。所以現代的食肉類哺乳動物一共有三大枝係。
犬形類
早期的犬形類可能也是森林的居住者，以叢林中的小動物為食。始新世晚期的指狗和漸新世的擬指狗（一般稱作黃昏犬）屬於早期的犬類，它們保留著很多古貓獸祖先的性質，但它具有在犬類進化中的某些發展特征：四肢和腳有些伸長，裂齒比古貓獸類更高度特化為切割的片，腦顱也擴展了。
犬類從漸新世小的黃昏犬，進化到中新世的新魯狼，又到上新世的湯氏熊，最後到更新世和現代的狗。現代狗類的分化在狗的曆史上達到了全盛時期，有北半球的野狗、狼、狐和大耳小狐以及南美洲和非洲的各種高度特化了的狗類。
熊類在中新世從某些狗類發展而來。
漸新世，浣熊類從狗類分化出來。
在第三紀中、晚期，熊貓在歐亞大陸上出現。
鼬類與其他犬形動物的關係較遠，從漸新世初期它們起源時起，便成為一個獨立的係統演化分支。
貓形類
貓形食肉類中最原始的是一些舊大陸的靈貓類，它們是進步古貓獸改進了的小型後代，從始新世晚期一直生存到現代。現在生活在地中海區域的麝貓很接近於靈貓類的主幹。這是一種生活在森林中的小動物，有長的身體和很長的尾。四肢較短，腳上有能伸展到某種程度的爪。頭骨長而低，狹窄；裂齒尖銳，形成有效的切割片；臼齒為原始的三楔式，最後的臼齒缺失。毛皮點狀，可能這是一直保留下來的原始色彩類型。具特殊味道的腺體，可以驅走攻擊者，這是現代靈貓的一種特殊適應。
靈貓最早出現於始新世和漸新世地層中，以古香鼬和漸新鼬這些屬為代表。從歐亞大陸中新世和上新世地層中發現少數的屬，表明靈貓在第三紀大部分時間內仍保持為很原始的食肉類。從漸新鼬經過第三紀中期到晚期的蒙古的通古爾鼬，一直到不怎麼特化的現代鼬，其在演化上進步不大在中新世的時候，有一進化支從靈貓主幹上分出來，沿著體型增大的方向發展，特別是發展出一個沉重的頭和非常粗壯的牙齒，這就是鬣狗分支。
貓科中的最早成員從靈貓祖先分化出來的時間是始新世晚期，晚始新世的原小熊貓可以代表貓類進化的早期階段。到漸新世早期，貓類已經高度進步了，現代貓類的身體結構形式與漸新世早期的貓非常一致。
鰭腳類
鰭腳類——海獅、海象和海豹——在地質記錄裏一直到中新世才出現，但很可能它們是在地史上較早時期興起的，或許是在始新世晚期或漸新世早期。因為在中新世以前沒有發現過任何化石，因此不可能準確說出鰭腳類的真正祖先，然而這些食肉動物或許起源於進步的古貓獸類，或者更可能起源於早期的狗形裂腳類。現今的證據似乎說明：鰭腳類不是一個自然的類群，而是代表著兩條，或許三條從狗形類起源的分離的進化路線。
在從陸生到水生的過渡中，鰭腳類的身體變成適於遊泳的流線型。然而它們在這方麵的適應從來沒有達到魚龍或鯨魚那樣完善。鰭腳類仍然保留了可伸縮的頸，而且從未發育出背鰭或推進用的尾鰭。在鰭腳類的祖先中，尾巴已經退化得完全不利於再轉化為推進器了，因此，鰭腳類必須依靠其四肢變成槳，同時趾間有蹼。前槳用以平衡和掌舵，同時也作推進衝擊作用。後槳向後，當這些動物在水中的時候，起著一種尾鰭的作用。海獅和海象的後鰭足可以隨意向前或向後，借以在陸上輔助行動；海豹的後鰭足永遠隻能向後，所以當海豹在陸上或冰塊上時，必須用腹部作彎曲動作才能使身體移動。
所有鰭腳類的牙齒都大大地改變了。門齒通常退化或缺失，大多數鰭腳類的前臼齒和臼齒再度簡化為尖的錐形齒，彼此都很相似。這類型的牙齒適於捕魚。海象有大的犬齒，頰齒數目減少，增寬成壓碎用的臼，用來壓碎它們所吃的和貝殼。海獅有小的外耳；在其他鰭腳類中，外耳殼完全消失。
海獅化石發現於太平洋沿岸，看來這個區域便是這類食肉動物的發源地。海象發現於太平洋和大西洋。海豹則分布很廣。