El linaje evolutivo del caballo se encuentra entre los mejor documentados en toda la paleontología. La historia de la familia de caballos, los Équidos, comenzó durante el Eoceno, que duró de unos 56 millones a 33,9 millones de años atrás. Durante el Eoceno temprano apareció el primer caballo ancestral, un mamífero con pezuñas, designado correctamente como Hyracotherium, pero más comúnmente llamado Eohippus, el «caballo del alba».»Los fósiles de Eohippus, que se han encontrado tanto en América del Norte como en Europa, muestran un animal que se situó en 4.de 2 a 5 manos (alrededor de 42,7 a 50,8 cm, o 16,8 a 20 pulgadas) de alto, diminutas en comparación con el caballo moderno, y tenía la espalda arqueada y los cuartos traseros elevados. Las patas terminaban en pies acolchados con cuatro pezuñas funcionales en cada una de las patas delanteras y tres en cada una de las patas traseras, muy a diferencia del pie sin relleno de una sola pezuña de los équidos modernos. El cráneo carecía del hocico grande y flexible del caballo moderno, y el tamaño y la forma del cráneo indican que el cerebro era mucho más pequeño y menos complejo que el del caballo actual. Los dientes, también, diferían significativamente de los de los equinos modernos, ya que se adaptaban a la dieta de un navegador bastante general. Eohippus era, de hecho, tan poco caballeroso que su relación evolutiva con los équidos modernos fue al principio insospechada. No fue hasta que los paleontólogos desenterraron fósiles de caballos extintos posteriores que el vínculo con Eohippus se hizo claro.

La línea que va desde el Eohippus para el caballo moderno muestra las siguientes tendencias evolutivas: aumento de tamaño, reducción del número de pezuñas, pérdida de las almohadillas, alargamiento de las piernas, fusión de los huesos independientes de la parte inferior de las piernas, alargamiento del hocico, aumento del tamaño y la complejidad del cerebro y desarrollo de dientes con cresta y coronilla alta adecuados para el pastoreo. Esto no quiere decir que haya una progresión constante y gradual en estas características que conduce inevitablemente de las de Eohippus a las del caballo moderno. Algunas de estas características, como la dentición de pastoreo, aparecen abruptamente en el registro fósil, en lugar de ser la culminación de numerosos cambios graduales. Eohippus, además, dio origen a muchas ramas de la familia de los caballos, algunas de las cuales diferían sustancialmente de la línea que conducía a los équidos modernos.

Aunque los fósiles de Eohippus se encuentran tanto en el Viejo como en el Nuevo Mundo, la evolución posterior del caballo tuvo lugar principalmente en América del Norte. Durante el resto del Eoceno, los principales cambios evolutivos fueron en la dentición. Orohippus, un género del Eoceno medio, y Epihippus, un género del Eoceno tardío, se parecían a Eohippus en tamaño y en la estructura de las extremidades. Pero la forma de los dientes de las mejillas—los cuatro premolares y los tres molares encontrados en cada mitad de ambas mandíbulas—había cambiado un poco. En Eohippus, los premolares y molares eran claramente distintos, siendo los molares más grandes. En Orohippus, el cuarto premolar se había vuelto similar a los molares, y en Epihippus, tanto el tercero como el cuarto premolar se habían vuelto molares. Además, las cúspides individuales que caracterizaban los dientes de las mejillas de Eohippus habían dado paso en Epihippus a un sistema de crestas continuas o crestas que recorren la longitud de los molares y premolares molariformes. Estos cambios, que representaban adaptaciones a una dieta de navegación más especializada, fueron conservados por todos los antepasados posteriores del caballo moderno.

Los fósiles de Mesohippus, el siguiente ancestro importante del caballo moderno, se encuentran en el Oligoceno temprano y medio de América del Norte(la Época del Oligoceno duró desde hace unos 33,9 millones a 23 millones de años). Mesohippus era mucho más parecido a un caballo que sus antepasados del Eoceno: era más grande (con un promedio de 6 manos de alto); el hocico era más parecido al hocico; y las patas eran más largas y delgadas. Mesohippus también tenía un cerebro más grande. El cuarto dedo en la parte delantera del pie se había reducido a un vestigio, de modo que tanto las patas delanteras como las patas traseras llevaban tres dedos funcionales y una plataforma para los pies. Los dientes permanecieron adaptados a la navegación.

A finales del Oligoceno, Mesohippus había evolucionado a una forma algo más grande conocida como Miohippus. Los descendientes de Miohippus se dividieron en varias ramas evolutivas durante el Mioceno temprano (la Época del Mioceno duró desde hace unos 23 millones a 5,3 millones de años). Una de estas ramas, conocida como las anchiteras, incluía una variedad de caballos de tres dedos que comprendían varios géneros. Los anchiteres tuvieron éxito, y algunos géneros se extendieron desde América del Norte a través del puente terrestre de Bering hacia Eurasia.

Sin embargo, fue una rama diferente la que llevó de Miohippus al caballo moderno. El primer representante de esta línea, Parahippus, apareció a principios del Mioceno. Parahippus y sus descendientes marcaron un cambio radical en el sentido de que tenían dientes adaptados para comer hierba. En este momento, las hierbas se estaban extendiendo por las llanuras de América del Norte, proporcionando a los Parahippus un vasto suministro de alimentos. La hierba es un alimento mucho más grueso que las hojas suculentas y requiere un tipo diferente de estructura dental. Los dientes de las mejillas desarrollaron crestas más grandes y fuertes y se adaptaron al movimiento de lado a lado de la mandíbula inferior necesario para moler las hojas de hierba. Cada diente también tenía una corona extremadamente larga, la mayor parte de la cual, en el animal joven, estaba enterrada debajo de la línea de las encías. A medida que la molienda desgastaba la superficie expuesta, parte de la corona enterrada creció. Esta estructura de dientes de corona alta aseguró al animal una superficie de molienda adecuada durante toda su vida normal. Las adaptaciones en el tracto digestivo también deben haber ocurrido, pero los órganos de la digestión no se conservan en el registro fósil.

El cambio de la dentición de hojarasca a pastoreo se completó esencialmente en Merychippus, que evolucionó de Parahippus durante el Mioceno medio y tardío. Merychippus debe haberse parecido mucho a un pony moderno. Era bastante grande, con unas 10 manos (101,6 cm o 40 pulgadas) de alto, y su cráneo era similar al del caballo moderno. Los huesos largos de la parte inferior de la pierna se habían fusionado; esta estructura, que se ha conservado en todos los equinos modernos, es una adaptación para correr rápido. Los pies permanecieron con tres dedos, pero en muchas especies la plataforma se perdió, y los dos dedos laterales se volvieron bastante pequeños. En estas formas, el dedo central grande llevaba el peso del animal. Los fuertes ligamentos unían este dedo central de la pezuña a los huesos de los tobillos y la parte inferior de la pierna, proporcionando un mecanismo de resorte que empujaba la pezuña flexionada hacia adelante después del impacto de golpear el suelo. Merychippus dio lugar a numerosas líneas evolutivas durante el Mioceno tardío. La mayoría de ellos, incluyendo Hipparión, Neohipparión y Nannipo, conservaron el pie de tres dedos de sus antepasados. Una línea, sin embargo, llevó al Pliohippus de un solo dedo, el predecesor directo de Equus. Los fósiles de Pliohippus se encuentran en los lechos del Plioceno temprano a medio de América del Norte(la Época del Plioceno duró desde hace unos 5,3 millones a 2,6 millones de años).

Equus-el género al que pertenecen todos los equinos modernos, incluidos caballos, asnos y cebras—evolucionó de Pliohippus hace unos 4 a 4,5 millones de años durante el Plioceno. Equus muestra un desarrollo aún mayor del mecanismo de resorte en el pie y muestra dientes de mejilla más rectos y largos. Esta nueva forma fue extremadamente exitosa y se había extendido de las llanuras de América del Norte a América del Sur y a todas las partes del Viejo Mundo a principios del Pleistoceno (la Época del Pleistoceno duró desde hace unos 2.600.000 a 11.700 años). Equus floreció en su tierra natal norteamericana durante todo el Pleistoceno, pero luego, hace unos 10.000 a 8.000 años, desapareció de América del Norte y del Sur. Los estudiosos han ofrecido varias explicaciones para esta desaparición, incluida la aparición de enfermedades devastadoras o la llegada de poblaciones humanas (que presumiblemente cazaban al caballo para alimentarse). A pesar de estas especulaciones, las razones de la desaparición de Equus en el Nuevo Mundo siguen siendo inciertas. El hundimiento del puente terrestre de Bering impidió cualquier migración de regreso de caballos desde Asia, y Equus no fue reintroducido en su continente nativo hasta que los exploradores españoles trajeron caballos a principios del siglo XVI.

Durante el Pleistoceno, la evolución de Equus en el Viejo Mundo dio lugar a todos los miembros modernos del género. El caballo moderno, Equus caballus, se extendió desde Asia central a la mayor parte de Europa. Los tipos locales de caballos, todas las razas de esta única especie, sin duda se desarrollaron, y tres de ellos—el caballo de Przewalski (E. ferus przewalskii o E. caballus przewalskii) de Asia central, el tarpán de Europa oriental y las estepas ucranianas, y el caballo de bosque del norte de Europa—generalmente se acreditan como el linaje ancestral del caballo doméstico. (El caballo de Przewalski puede ser la última raza distinta de caballo salvaje que sobrevive cuando se compara genéticamente con los caballos domesticados. De acuerdo con esta línea de pensamiento, el caballo de Przewalski y el tarpán formaron el plantel de cría básico a partir del cual se desarrollaron los caballos de «sangre caliente» del sur, mientras que el caballo del bosque dio lugar a las razas pesadas de «sangre fría».