身体结构复杂，有区别于其他类群的大脑结构、恒温系统和循环系统，具有为后代哺乳、大多数属于胎生、具有毛囊和汗腺等共通的外在特征。他们外型多样，小至体长30毫米长有翅膀的凹脸蝠，大至体长33米形同鱼类的蓝鲸。他们有很好的环境适应能力，分布在从海洋到高山，从热带到极地的广泛区域。
有高度发达的神经系统和感官，能协调复杂的'技能活动和适应多变的环境条件，在智力和对环境的反应上远远超过其他类群；
恒温（约为25～37℃），完善的血液循环系统，优良隔热性能的体表毛被和其他体温调节的机制，提供了稳定的内环境，减少了对外界环境的依赖，区别于冷血动物；
胎生哺乳，除最原始的单孔类卵生外，都是胎生。高级种类在胚胎与子宫壁之间形成母子营养交换的组织（即胎盘）。母兽对仔兽进行较长期的哺乳和抚育，从而使后代有较高的成活率，仔兽还可通过学习，获得适应技能；
出现口腔咀嚼和消化，大大提高了对能量的摄取；具有在陆地上快速运动的能力。
当中生代末地壳运动加剧，环境发生重大改变时，恐龙等爬行动物难以适应和生存，而哺乳类则显示了很强的竞争能力；哺乳动物有很好的适应环境的能力，身体恒温，具有乳腺，可对幼仔哺乳，脑发达，能够支配行动，胎生（单孔类除外），有利于延续后代等等。所有这些，都为它们的壮大发展提供了自身的优势。
进入新生代后，有胎盘类成为哺乳动物大家族的主流，化石和现生哺乳动物的绝大多数都属于有胎盘类。有胎盘类哺乳动物约有30个目，人们熟知的就有食肉目（如猫科动物）、啮齿目（如各种鼠类）、偶蹄目（如猪、牛、羊等）、奇蹄目（如马、驴等）、灵长目（如猴和猿类等）、翼手目（如蝙蝠等）、长鼻目（如象等）和鲸目（如海豚等）。