哺乳动物是从一类叫做盘龙类的爬行动物进化而来的。
在二叠纪（距今2.9亿年前至2.4亿年前）的中期，盘龙类的一个分支——兽孔类爬行动物出现了。在数千万年的进化过程中，兽孔类动物形成了很多与后来的哺乳动物相关的特征，因此兽孔类也常被称作类哺乳类爬行动物。
在兽孔类中有一个类群叫做兽齿类，该类群动物发展出了与哺乳类十分相似的牙齿、头骨和四肢。因此大多数科学家相信，最早的哺乳动物是由一种叫做犬颌兽的兽齿类爬行动物进化而来的。
进入侏罗纪（距今2.0亿年前至1.38亿年前）以后，哺乳动物发生了进化。此时的哺乳动物是一些类似鼩鼱的小型动物，可能是以取食昆虫和蠕虫为生。在整个侏罗纪和白垩纪（距今1.38亿年前至6500万年前），哺乳动物的体型都很小。在此期间，体型庞大的恐龙统治着陆地。但是哺乳类中许多原始的类群在侏罗纪都获得了发展。尽管卵生哺乳动物的化石资料很不完整，但大多数科学家相信，由这些早期的哺乳类中的一支演变成为今天的单孔类。在白垩纪，有多个哺乳类的原始类群发生了灭绝，但其中的一个类群——古兽类幸存下来，并在白垩纪的中期演化形成了有袋类和有胎盘类哺乳动物。
在新生代（距今6500万年前）期间，哺乳动物成为陆地脊椎动物中占统治地位的类群。在始新世（距今5500万年前至3800万年前）的末期，所有现存的哺乳动物的目（主要类群）都已经形成了。在渐新世（距今3800万年前至2400万年前），哺乳类现存的科也都出现了。
