哺乳動物是從一類叫做盤龍類的爬行動物進化而來的。

在二疊紀（距今2.9億年前至2.4億年前）的中期，盤龍類的一個分支——獸孔類爬行動物出現了。在數千萬年的進化過程中，獸孔類動物形成了很多與後來的哺乳動物相關的特徵，因此獸孔類也常被稱作類哺乳類爬行動物。

在獸孔類中有一個類群叫做獸齒類，該類群動物發展出了與哺乳類十分相似的牙齒、頭骨和四肢。因此大多數科學家相信，最早的哺乳動物是由一種叫做犬頜獸的獸齒類爬行動物進化而來的。

進入侏羅紀（距今2.0億年前至1.38億年前）以後，哺乳動物發生了進化。此時的哺乳動物是一些類似鼩鼱的小型動物，可能是以取食昆蟲和蠕蟲為生。在整個侏羅紀和白堊紀（距今1.38億年前至6500萬年前），哺乳動物的體型都很小。在此期間，體型龐大的恐龍統治著陸地。但是哺乳類中許多原始的類群在侏羅紀都獲得了發展。儘管卵生哺乳動物的化石資料很不完整，但大多數科學家相信，由這些早期的哺乳類中的一支演變成為今天的單孔類。在白堊紀，有多個哺乳類的原始類群發生了滅絕，但其中的一個類群——古獸類倖存下來，並在白堊紀的中期演化形成了有袋類和有胎盤類哺乳動物。

在新生代（距今6500萬年前）期間，哺乳動物成為陸地脊椎動物中佔統治地位的類群。在始新世（距今5500萬年前至3800萬年前）的末期，所有現存的哺乳動物的目（主要類群）都已經形成了。在漸新世（距今3800萬年前至2400萬年前），哺乳類現存的科也都出現了。