En Ischigualasto vivieron muchas especies de cinodontes, animales con características tanto de reptil como de mamíferos. Algunos son tan grandes como pumas y otros del tamaño de un ratón. A partir de ellos, evolucionaron los primeros mamíferos que siguieron siendo pequeños y vivieron a la sombra de los dinosaurios durante 160 millones de años. Al extinguirse la mayoría de los dinosaurios, los mamíferos se diversificaron ocupando nuevos nichos ecológicos.

Los restos del Eodromaeus murphi fueron encontrados en 1996 cerca de la formación El Hongo dentro del parque. Este dinosaurio es el representante más antiguo conocido de los "terópodos", la familia de carnívoros a la que pertenece el famoso Tyranosaurus rex y del que descienden todas las aves modernas.

El nombre Eoraptor lunensis significa "cazador temprano". Es uno de los dinosaurios más antiguos encontrados hasta el momento en el planeta. Se lo considera el "padre evolutivo" de los saurópodos, los dinosaurios de cuello largo. Sus restos también fueron encontrados en el también llamado Valle de la Luna.