L'histoire géologique et climatique de l'Australie a contribué à rendre sa faune unique. Autrefois, l'Australie faisait partie du supercontinent méridional Gondwana qui incluait aussi l'Amérique du Sud, l'Afrique, l'Inde et l'Antarctique. Il y a 140 Ma, le Gondwana commence à se scinder. Puis, il y a environ 50 Ma, l'Australie se sépare de l'Antarctique et reste relativement isolée jusqu'à la collision de sa plaque tectonique avec celle de l'Asie qui aura lieu au cours du Miocène, il y a 5,3 Ma. La plus grande partie de la faune autochtone d'Australie s'est donc différenciée depuis le Crétacé.
L'établissement et l'évolution de la faune australienne, telle qu'elle se présente aujourd'hui, semblent être le fruit du climat unique et de la géologie de ce continent. La faune unique issue du Gondwana, les marsupiaux par exemple, a su survivre et s'adapter en Australie.
Après le Miocène, une faune de petit animaux d'origine asiatique a pu y s'établir. La ligne Wallace (ligne hypothétique séparant les régions zoogéographiques d'Asie et d'Australasie) délimite la frontière tectonique entre l'Eurasie et la plaque indo-australienne. En raison de cette frontière continentale, aucune terre reliant l'Asie à l'Australie n'a pu se former, ce qui permit une distribution zoologique de la faune australienne distincte de celle d'Asie, hormis pour les espèces migratrices comme les oiseaux. Suite à l'émergence du courant circumpolaire vers le milieu de l'Oligocène (il y a quelque 15 millions d'années), le climat australien devint de plus en plus aride, donnant lieu à l'apparition de divers groupes d'organismes spécialisés pour cette température, de la même manière l'humidité tropicale et saisonnière des côtes donnait naissance à des espèces uniques adaptés à cet environnement.

On inscrit cette extinction comme précurseur d'une autre, à l'Holocène. La cause de l'extinction est source de nombreuses recherches controversées. L'irruption d'Homo sapiens étant une des causes les plus probables. Aussi, les rôles respectifs joués par la chasse et la modification du paysage telles que pratiquées par les aborigènes d'Australie, d'une part, et par la période de glaciation, d'autre part, font aujourd'hui l'objet de débats.

endant au moins 40 000 ans, la faune australienne a eu une large influence sur le style de vie des aborigènes d'Australie qui trouvaient dans de nombreuses espèces une source de nourriture et de peaux. Le fire-stick farming (brûlis), souvent employé par les aborigènes, a beaucoup modifié la faune et la flore. Ce terme australien désigne une pratique qui consistait à brûler de vastes terres pour faciliter la chasse et la pousse de nouvelles espèces de plantes.
Ainsi, l'homme serait responsable de la disparition, vers le fin du pléistocène, de grands animaux au régime alimentaire spécialisé, tels que les oiseaux incapables de voler du genre Genyornis.
Des hypothèses connexes liées à l'arrivée de l'homme existent, par exemple l'introduction de maladies portées par les animaux domestiques. La compétition alimentaire avec les espèces carnivores et les déséquilibres collatéraux engendrés par cette compétition sont aussi invoqués.

L'aridité accrue, survenue au cours de la période de glaciation qui a eu lieu il y a 18 000 ans, aurait, selon cette théorie, eu des effets sur l'extinction de la mégafaune. Cependant, cet argument s'oppose au fait que ces espèces avaient survécu, durant 2 millions d'années, à plusieurs périodes glaciaires arides, avant de s'éteindre très brusquement.

Les analyses isotopiques du carbone et de l'oxygène dentaire suggèrent que le climat régional d'alors était similaire au climat aride d'aujourd'hui, et que par conséquent cette mégafaune était adaptée au climat. Ceci fragilise encore cette théorie.