Die erste Auffächerung (Radiation) von archaischen Primaten (die Plesiadapoidea) fand auf der Nordhalbkugel statt, was darauf hindeutet, dass sie in der Tat auch dort ihren Ursprung haben. In der Mitte des Paläozäns vor rund 60 Millionen Jahren hatten sich archaischen Primaten in mindestens vier Familien aufgespalten: Die Picrodontidae, Carpolestidae, Plesiadapidae und Saxonellidae (Einige Autoren zählen zu dieser Gruppe eine fünfte und sechste Familie dazu, die Microsyopidae und die Paromomyidae). Diese "halb-Lemuren" waren meist so groß wie eine Maus oder eine Ratte, obwohl es auch ein paar Arten von der Größe einer Hauskatze gab.
Die Zähne von allen archaischen Primaten zeigen einen evolutionären Trend hin zu einer Spezialisierung auf Blätter und Früchte, und weg von den scharf-höckrigen, primitiven Zähnen ihrer Insekten fressenden Vorgänger. Die Ansicht, dass die Plesiadapoidea und die noch weiter unten an der Basis stehenden Plesiadapiformes als Primaten eingestuft werden sollten, wurde oft in Frage gestellt, weil keiner ihrer Vertreter alle Merkmale besaß, die die späteren Primaten charakterisieren. Beispielsweise fehlte ihnen die knöcherne Leiste an der Seite der Augenhöhlen (eng. postorbital bar), so dass die Augen nicht vollständig von einem knöchernen Ring umgeben waren. Plesiadapiformes hatten weder vergrößerte Gehirne, noch opponierbare Daumen und Großzehen und sie zeigten nur wenige offensichtliche Anpassungen für das Leben in den Bäumen. Die meisten hatten große, gewinkelte Schneidezähne, die sich möglicherweise für das Öffnen von Samen und Früchten als nützlich erwiesen, und viele hatten niedrig-kronige Backenzähne mit abgeflachten und manchmal gezackten Spitzen, die wie Miniaturausgaben der Backenzähne von späteren Blätter und Früchte fressenden Primaten aussehen.
Es besteht eine starke Ähnlichkeit zwischen den Zähnen einiger archaischer Primaten aus dem Paläozän (z. B. Plesiadapis) und späteren Adapoiden und Adapiformes aus dem Eozän (z. B. Notharctus). Diese Ähnlichkeit ist das wichtigste Argument für den Vorschlag, dass die Plesiadapoidea, obwohl primitiv, in der Tat mit den Euprimaten aus dem Eozän verwandt sind. Es gibt jedoch auch einige faszinierende Erkenntnisse über die Ohrregion und das postcraniale Skelett, die darauf hindeuten, dass zumindest einige Mitglieder der Plesiadapiformes mit Riesengleitern (Ordnung Dermoptera) verwandt waren. Daher wurde sogar vorgeschlagen, dass die Plesiadapiformes vom Stammbaum der Primaten insgesamt entfernt werden sollten.Die Überfamilie Plesiadapoidea hat ihren Namen von der paläozänen Gattung Plesiadapis, der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Gruppe dieser Zeit.
Ihre versteinerten Skelette wurden in Colorado und Frankreich gefunden, wo sie recht zahlreich waren. Der Name "Plesiadapis" bedeutet soviel wie "auf halbem Weg zum heiligen Stier Apis" und stammt von Georges Cuvier, der den fossilen, lemuren-ähnlichen Primaten Adapis fälschlicherweise für einen Verwandten der Rinder hielt. In den 1870er Jahren benannt, dachte man, dass die Backenzähne von Plesiadapis Ähnlichkeiten mit denen von Adapis haben. Die meisten Arten von Plesiadapis waren so groß wie ein Eichhörnchen, einige erreichten die Größe einer Hauskatze. Die Mitglieder der Gattung Plesiadapis hatten markante Schneidezähne und die unteren Zähne waren den großen oberen Zähnen gegenüber geneigt, die durch eine große Lücke von den lemuren-ähnlichen Backenzähnen getrennt waren.
Es wurde vorgeschlagen, dass die Beinknochen von Plesiadapis Anpassungen für ein Leben in den Bäumen zeigen, doch diese archaischen Primaten hatten robuste, stämmige Gliedmaßen und auch ein primitives, kleines Gehirn. Finger und Zehen endeten in großen, seitlich abgeflachten Krallen, die möglicherweise zum Klettern anstatt zum Graben verwendet wurden, doch wegen seiner weiten Verbreitung in Europa und Nordamerika nimmt man an, dass sich Plesiadapis vermutlich auf dem Boden fortbewegend in diese riesigen Gebiete ausbreitete. Die Spezialisierungen im Gebiss aller Plesiadapiden lässt vermuten, dass sie keine direkten Vorfahren der späteren Primaten sind. Die Ähnlichkeit der Vorderzähne mit denen des Aye-Aye (Daubentonia madagascariensis), eines eigentümlichen madagassischen Lemuren, sind auf konvergente Evolution zurückzuführen.
Die Paromomyiden und Microsyopiden sind wenig bekannte, der Gattung Plesiadapis nicht unähnliche Primaten, die sich in der Mitte des Paläozäns diversifizierten. Ein frühes Mitglied dieser Auffächerung, vielleicht Plesiolestes (Familie Palaechthonidae) aus dem Paläozän aus Wyoming oder Navajovius (Familie Microsyopidae) aus Montana, könnte in der Nähe des direkten Vorfahren der Euprimaten stehen, die erstmals im frühesten Eozän in Frankreich und Wyoming auftauchen, aber eine solche Beziehung konnte bislang nicht eindeutig bewiesen werden.
Eine weitere frühe Familie von archaischen Primaten sind die Picrodontiden mit Zähnen, die an Fledermäuse erinnern. Eine vierte Familie, die Carpolestiden - die als "Früchtediebe" wegen ihrer spezialisierten klingenartige Prämolaren bekannt sind - sind kleine Primaten aus paläozänen Ablagerungen im Westen Nordamerikas. Wie Purgatorius erreichten diese Tiere etwa die Größe der kleinsten heute lebenden Primaten - der Zwerggalagos, Mausmakis und Zwergseidenäffchen.
Für die Spezialisierungen der Zähne interessieren sich Paläontologen ganz besonders, da sie Details über den evolutionären Wandel von Populationen in aufeinander folgenden Epochen offenbaren. Leider sind diese mikroevolutionären Übergänge bei ausgestorben Primaten wegen der Lücken bei den Fossilien nicht generell dokumentiert. Populationen von "Früchtedieben" zeigen im Laufe der Zeit eine schrittweise Vergrößerung des hinteren unteren Prämolaren zu einer großen Klinge (wie beispielsweise bei Carpolestes), die gegen die oberen Prämolaren mit mehreren Höckern schneiden. Dieser Mechanismus zeigt einige Parallelen zu den Zähnen von einigen heute lebenden australischen Beuteltieren, etwa den Rattenkängurus (Bettongia), die sie zum Zerschneiden von Pflanzenteilen verwenden. Die subtilen, aber gut dokumentierten Änderungen in der Zahnanatomie von Carpolestiden liefern das beste Beispiel für die fortschreitende Evolution bei Primaten, obwohl die Carpolestiden ohne spätere Nachkommen ausgestorben sind.
Die Blütezeit der Plesiadapoidea war die Epoche des Paläozäns in Nordamerika, Europa und vielleicht in Asien. Im frühen Eozän, vor rund 50 Millionen Jahren, begannen die Plesiadapiformes zu verschwinden, vielleicht weil sie als Früchte- und Blattfresser von den Nagetieren verdrängt wurden, die sich im frühen Eozän explosionsartig diversifizierten. Am Ende des Eozäns, vor ca. 35 Millionen Jahren, waren die Plesiadapoidea aus Europa verschwunden und nur eine Spezies der Paromomyidae überlebte in Nordamerika. Die Plesiadapoidea und Plesiadapiformes wurden durch Nagetiere, Lemuren und Euprimaten vollständig ersetzt.
