哺乳动物是高级的脊椎动物，其主要特征是胎生和哺乳，以及相当发达的脑神经细胞。胎生使子代可以在母体中停留更长的生长期，这对哺乳动物的子代从母体获取更多的生存信息是非常重要的。哺乳使子代可以从亲体（包括母亲、父亲以及群体其他成员）得到更长时间的学习期，这对哺乳动物的子代提高智力水平是极其重要的。哺乳动物的脑神经细胞，具有相当强大的信息处理功能，这标志着它们拥有发达的神经元智力系统。大约在1.8亿年前，地球上出现了最早的哺乳动物，犀牛、马和大象的祖先先后出现。在新第三纪中新世和上新世两个时期，哺乳动物开始现代化，最明显的表现是奇蹄类开始衰退，偶蹄类进一步繁荣起来。
哺乳类起源于古代爬行类。大约距今1.8亿年，在中生代三叠纪的末期，从一些比较进步的兽形爬行动物分化出最早的哺乳动物，其起源时间此鸟类还要早（最早的鸟类化石出现在侏罗纪）。早期的哺乳动物个体都很小，数量也少，和当时在地球上占统治地位的恐龙类相比是渺小的。但是这些原始的哺乳动物，在体形结构上具备比爬行动物高级的特点，当进入新生代的时候，大多数爬行动物灭绝了，而这些代表着新生力量的哺乳动物得到了空前的发展。在生物史上，新生代被称为“哺乳动物时代”。
哺乳动物虽然起源于爬行动物，但与现代爬行动物相比有着很大的区别。早期哺乳类（似爬行类的哺乳类）和朝着哺乳动物方向发展时的早期爬行类（兽形爬行类）之间不容易分清，这种“中间环节”可以反映出由爬行类进化到哺乳类的中间过渡。兽形爬行类（或称似哺乳类的爬行类）分为两支：一支称盘龙类，是一类原始类型，化石大多产在北美，出现于石炭纪末期，至二叠纪绝灭；另一类称兽孔类，是从盘龙类进化来的，代表进步的类型。它们的化石分布于各大陆。兽孔类后裔中的一支更具有进化上的意义，即兽齿类，它们朝着直接导致哺乳类的方向发展。
我国云南碌丰地区晚三叠纪地层中发现的闻名世界的卞氏兽，在构造特征上更加接近哺乳类，甚至最初曾一度被列入兽类，只是由于它的下颌骨不像哺乳类那样由单一的齿骨组成，还有退化的关节骨和上隅骨等残余成分，后来还是被公认应归入爬行动物，可以说是最接近哺乳类的爬行动物。目前比较一致地认为哺乳动物是多系起源的，从似哺乳类的爬行类中某些更早期的、少特化的种类中产生出哺乳动物来。
哺乳动物的进化包括三个适应辐射阶段：第一个阶段是中生代侏罗纪，这个时期的原始哺乳类分为多结节齿类和三结节齿类两大类；第二个阶段是中生代白垩纪，在这个时期有袋类和有胎盘类出现了，多结节齿类仍生存着；第三个阶段是新生代，在这个时期有袋类和有胎盘类得到了空前大发展，而多结节齿类则开始绝灭。