Les mammifères font partie du sous-embranchement des vertébrés (embranchement des cordés), dont ils constituent la classe la plus évoluée. Ils tiennent leur nom des glandes mammaires qui caractérisent les femelles (à l'exception des monotrèmes), et qui sécrètent le lait dont se nourrissent leurs petits. Cette particularité témoigne d'une fragilité plutôt que d'une force, même si l'obligation d'une relation étroite aux premiers âges de la vie favorise la transmission des connaissances et des comportements. 
La supériorité des mammifères provient surtout d'autres avantages, parfois partagés avec d'autres vertébrés mais toujours portés à un plus haut niveau d'évolution. Ainsi comme chez les oiseaux le coeur est cloisonné en quatre cavités, ce qui permet la séparation entre le sang veineux et le sang artériel, facteur indispensable à la conservation de la température interne. Mais chez les mammifères, y compris les aquatiques, cette homéothermie est favorisée par la sophistication du système sanguin et par l'accroissement de la surface d'hématose (oxygénation du sang) qu'autorise la structure alvéolaire de l'appareil respiratoire. Le plus souvent le corps est couvert de poils et compte quatre membres, terminés par des doigts enfermés dans des sabots ou munis d'ongles, rétractiles ou non. Le squelette comporte toujours deux cavités séparées par une cloison musculaire. La cavité thoracique contient les organes principaux de la respiration et de la circulation; la cavité abdominale, ceux de la digestion et de l'appareil reproducteur. La forme du squelette et principalement celle des membres, parfois absents, dépend du mode de locomotion (marche, saut, nage ou vol). Cette diversité se retrouve dans la variété des milieux et des modes de vie et constitue, en même temps que sa preuve, le meilleur symbole de l'excellence de cette classe, dont témoignent aussi le fort développement des organes des sens et la complexité du système nerveux. L'encéphale, volumineux et souvent plissé, est toujours séparé en deux hémisphères et relié à la colonne par sept vertèbres cervicales. La mâchoire se compose de deux maxillaires, dont seul l'inférieur est articulé. L'appareil digestif, de longueur variable, est bien structuré et doté de nombreux organes. L'appareil reproducteur, soumis au contrôle hormonal, comprend deux testicules chez le mâle et deux ovaires chez la femelle, qui possède de surcroît un utérus dans lequel se fixe l'oeuf après fécondation. Celui-ci se développe en embryon relié à la mère par le placenta chez les espèces supérieures.
Les mammifères descendent des reptiles mammaliens. Le passage s'effectua au Trias avec l'apparition de divers ordres sans descendance mais connus par leurs fossiles (docodontes, triconodontes, multituberculés). Seul l'ordre des monotrèmes, qui tire son nom de l'unique orifice recto-urinaire qui le caractérise, a perduré depuis le Jurassique (180 millions d'années). Il est représenté aujourd'hui par l'ornithorynque et l'échidné d'Australie, ovipares à bec cornu. Mais il semble bien que l'ordre des pantothériens, né au même moment et membre lui aussi de la sous-classe des protothériens, soit à l'origine des mammifères modernes. Ceux-ci apparaissent au Crétacé supérieur (90 millions d'années) et s'épanouissent au Tertiaire, peut-être grâce à la disparition des reptiles. Les marsupiaux, caractérisés par la poche ventrale dans laquelle s'achève le développement des jeunes, forment la sous-classe des métathériens, dont il reste neuf familles (kangourou, opossum). La troisième sous-classe est celle des euthériens, appelés aussi placentaires car le développement des jeunes se fait uniquement à l'intérieur de l'utérus maternel. Elle comprend la grande majorité des mammifères vivants, répartis en seize ordres aussi variés que les cétacés à dents ou à fanons, les chauve-souris (22 familles), les édentés (paresseux, tatou) ou les mystérieux siréniens (dugong). Le plus important est celui des rongeurs (30 familles, 3 000 espèces) et le plus évolué, celui des primates. Ce dernier est constitué des tarsiens, des lémuriens, des simiens et des hominiens, famille qui donna naissance à l'orang outan, au gorille, au chimpanzé et au bonobo, puis à l'homme au Quaternaire.