La forma i la grandària del cos varien molt, segons el medi ambient on habiten i el grup sistemàtic al qual pertanyen. Quasi tots els mamífers tenen quatre extremitats pentadàctiles, que són molt diverses, segons la manera de caminar de cadascun.
Entre els mamífers terrestres cal distingir els plantígrads, els digitígrads i els ungulígrads.
Els ungulígrads i els proboscidis tenen el cap dels dits protegit per peülles, mentre que els altres el tenen protegit per ungles. En les espècies excavadores i arborícoles, així com en les voladores (quiròpters), les extremitats són profundament modificades; les espècies aquàtiques les tenen transformades en aletes, bé que en els cetacis i els sirènids n'han desaparegut les posteriors. La pell presenta formacions epidèrmiques, com els pèls, i dèrmiques, com les glàndules sebàcies i sudorípares. L’abundor i la distribució del pèl varien molt, segons les espècies. Determinats ordres de mamífers presenten banyes al cap, de forma i constitució diverses. En les femelles, les glàndules mamàries són productores de llet, després del part, i són situades a la part ventral, en posició axil·lar, pectoral, abdominal o inguinal.
Lleó marí de Califòrnia (Zalophus californianus)
Andrew McKinlay (CC BY-NC 2.0)
L’esquelet, molt semblant al dels rèptils, assoleix la màxima perfecció en els vertebrats. El crani presenta una reducció d’ossos respecte al dels rèptils; és unit a la columna vertebral mitjançant dos còndils occipitals, i presenta un paladar ossi secundari i una única fossa temporal. L’esquelet de les extremitats inferiors es caracteritza per la plena deformació i superposició de l’astràgal i el calcani. El coracoide és soldat a l’omòplat. La clavícula no es presenta en tots els grups, sinó només en aquells en què els moviments de l’extremitat superior abracen tots els plans. La cintura pelviana presenta sovint un sol os, el coxal, reunió de l’ili, l’isqui i el pubis. La columna vertebral és subdividida en cinc regions: cervical, toràcica, lumbar, sacra i dorsal. Entre les vèrtebres s’intercalen els discs intervertebrals.
La temperatura corporal és constant i independent de la del medi ambient, excepte en els mamífers que presenten hibernació i estivació. L’aparell digestiu es caracteritza per la presència dels llavis i de les dents a la cavitat bucal, la qual pot tenir nombroses formes i disposicions, segons el règim alimentari de l’animal; també es caracteritza per la presència d’un fetge amb bufeta biliar constant, pel fet de tenir l’intestí prim i el gros ben diferenciats i pel fet de tenir l’anus separat de l’obertura genitourinària.
Os rentador (Procyon lotor)
Krystal Hamlin (CC BY 2.0)
L’aparell respiratori és molt semblant al dels ocells i rèptils, però les vies respiratòries i digestives són perfectament separades, a la faringe, mitjançant vàlvules. El diafragma és ben desenvolupat. L'aparell circulatori presenta el cor dividit en quatre cavitats i un sol arc aòrtic, que surt del ventricle esquerre i tomba a l’esquerra. No hi ha sistema porta renal, i la circulació és doble, tancada i completa. L'aparell excretor consta de dos ronyons lumbars, amb còrtex i medul·la, dos urèters i una bufeta urinària.
L’aparell reproductor, en les femelles, consta de dos ovaris, dues trompes de Fal·lopi, un úter, de variada configuració, i una vagina, i els mascles tenen testicles intraabdominals o extraabdominals i posseeixen un òrgan copulador o penis erèctil, que és intracloacal en els monotremes i exterior en la resta dels mamífers. La fecundació és interna; presenten placenta i, a excepció dels monotremes, són vivípars. Així, segons el tipus de reproducció, els mamífers es divideixen en tres grups diferents: els placentaris; els monotremes (l’ornitorrinc i l’equidna), que són ovípars, si bé la mare alleta les cries; i els marsupials, que són vivípars però mantenen els petits dins de la bossa fins que s'acaben de desenvolupar.
Gat (Felis silvestris catus)
Paul Korecky (CC BY-SA 2.0)
El sistema nerviós presenta l’encèfal amb un gran desenvolupament del telencèfal, el qual passa a controlar les altres parts del cervell, que és dividit en dos hemisferis. L’orella, que presenta una gran complexitat, és l’òrgan dels sentits que varia més respecte als dels altres vertebrats. El grup inclou unes 3.000 espècies, la majoria de les quals adaptades al medi terrestre, bé que també n'hi ha d’aquàtiques i d’aèries; són distribuïdes en nombrosos ordres. Els mamífers s’originaren a la fi del Triàsic, a partir dels rèptils teràpsids.
Grups més importants de la classe dels mamífers
| Subclasse dels prototeris | ordre dels monotremes | ||
| Subclasse dels al·loteris | ordre dels multituberculats | ||
| Subclasse dels teris | |||
| infraclasse dels pantoteris | ordre dels eupantoteris | ||
| ordre dels simetrodonts | |||
| infraclasse dels metateris | ordre dels marsupials | ||
| infraclasse dels placentaris | ordre dels insectívors | ||
| ordre dels dermòpters | |||
| ordre dels quiròpters | |||
| ordre dels edentats | subordre dels xenartres | ||
| ordre dels folidots | |||
| ordre dels lagomorfs | |||
| ordre dels rosegadors | |||
| ordre dels cetacis | subordre dels odontocets | ||
| subordre dels misticets | |||
| ordre dels carnívors | subordre dels fissípedes | ||
| subordre dels pinnípedes | |||
| ordre dels tubulidentats | |||
| ordre dels proboscidis | |||
| ordre dels sirenis | |||
| ordre dels hiracoïdeus | |||
| ordre dels perissodàctils | |||
| ordre dels artiodàctils | subordre dels suïformes | ||
| subordre dels tilòpodes | |||
| subordre dels remugants | |||
| ordre dels primats | subordre dels lemuriformes | infraordre dels tupaioïdeus | |
| infraordre dels lorisoïdeus | |||
| infraordre dels lemuroïdeus | |||
| subordre dels tarsiformes | |||
| subordre dels antropomorfs | infraordre dels platirrins | ||
| infraordre dels catarrins |