在骨骼結構上，哺乳動物有一對枕髁（在頭部後方的隆起枕骨），使頭骨和第一頸椎形成關節，而能夠有更大的活動自由；有次生的口腔骨質硬顎，使鼻腔與口腔隔離，呼吸空氣時，氣體不會進入口腔，如此一來，哺乳動物就能夠同時咀嚼食物與呼吸空氣。此外，哺乳動物骨骼結構的典型特徵還包括了頸部的肋骨癒合在頸椎上，成為頸椎的組成部分；肩胛骨中部有一條強大的肩峰突起；在髖骨部位，腸骨、坐骨與恥骨癒合形成單一的骨質結構；趾骨數目退化，所以，除了第一趾只有兩個趾骨外，其餘的趾骨也只有三節。
在所有的爬行動物中，頭骨與下頜的方骨和關節骨連接，在中耳僅有一塊鐙骨，而 哺乳動物連接頭骨和下頜則是由鱗骨和齒骨形成關節，中耳有三塊小聽骨，分別為鐙骨、砧骨與槌骨。事實上，哺乳動物的砧骨與槌骨是由爬行動物下顎的方骨與關節骨退入中耳，轉型衍生而成，同時也改變了功能，並與原先由爬行動物遺留下來的鐙骨一起組成連鎖，使得哺乳動物更有效率地傳導從耳膜到內耳的震波。這是脊椎動物演化史上，解剖結構從一種機能轉變到另一種機能的最好例證，也指出了爬行動物逐漸推進至哺乳動物特徵的趨勢。
最早的哺乳動物，出現在三疊紀，距今約二億二千萬年，牠的祖先則可追溯至出現在石炭紀末至三疊紀間的一群稱為似哺乳爬行類動物。牠們屬於爬行動物綱中的單弓亞綱，可說是連接原始爬行類與哺乳類的橋樑。從化石證據中得知，在中生代早期的哺乳動物體型小數量又少，完全被當時幾乎無所不在的大型爬行動物－恐龍所壓倒。然而，儘管中生代的哺乳動物是如此渺小，牠們卻對生命演化史做了特殊重要的貢獻，因為在此時哺乳動物正逐步發展，各項基本特徵也逐漸生成，似乎是為將來的發展打下基礎，爾後終於在恐龍滅絕之後，哺乳動物得到幾乎全然空曠的發展空間，得以大肆分歧繁衍，造成新生代哺乳動物的新世紀。