明確的說，恐龍時期有哺乳動物。

最早的真正的哺乳動物，應該是中國尖齒獸Sinoconodon和摩根齒獸Morganucodon一類。它們的化石出土於歐亞大陸、非洲、北美和格陵蘭島，它們生活的年代應該是三疊紀晚期到侏羅紀中期。這些早期的哺乳動物體型都很小，大約只有20-30克重，看上去很像一個老鼠。不過它們已經有相對恆定的體溫，神經系統發達，腦已經是它們的爬行動物親戚——獸孔類的三到四倍，摩根齒獸已經分化出前臼齒和臼齒。尖齒獸則是所有哺乳動物的共同祖先，其後分化出多個類群。

侏羅紀出現了柱齒獸類，多瘤齒獸類（屬於異獸亞綱）、三尖齒獸類、枝獸類也已經出現，哺乳動物迅速分化擴散，佔據了不少生態位。在侏羅紀，已經出現了類似於鼯鼠的古翔獸屬，類似於食蟻獸的弗魯塔掘土獸屬，類似於樹鼩的漢高獸屬，類似於水獺的獺形狸尾獸屬等等。

到了白堊紀，更多的哺乳動物登上了歷史的舞臺。包括南方楔齒獸類——現生的單孔類（針鼴和鴨嘴獸）就是它們的後代，鼴獸類，北楔齒獸類等。值得一提的是，除了單孔類的其他現生哺乳動物，都是從北楔齒獸類演化出來的。這一類動物，在恐龍時代，有泥掠獸目、兩棲獸目、南非獸目等。

注：本答案所有圖均是想象復原圖。