Se trata de un taxón monofilético; es decir, todos descienden de un antepasado común que se remonta probablemente a finales del Triásico, hace más de 200 millones de años. Pertenecen al clado sinápsidos, que incluye también numerosos «reptiles» emparentados con los mamíferos, como los pelicosaurios y los cinodontos.
Se conocen unas 5 486 especies actuales, de las cuales 5 son monotrematas, 272 son marsupiales y el resto, 5 209, son placentarios. La ciencia que estudia los mamíferos se denomina teriología, mastozoología o mamiferología.
Los mamíferos constituyen un grupo de seres vivos muy diverso y, a pesar del reducido número de especies que lo forman en comparación con otros taxones del reino animal o vegetal, su estudio es con mucho el más profundo en el campo de la Zoología, seguramente porque la especie humana pertenece a él.
Es tal la diversidad de la clase que para un profano sería difícil establecer con claridad qué especie es mamífera y cuál no. Para ilustrar con un ejemplo esta diversidad fenotípica, anatomo-fisiológica y etológica basta relacionar algunas de sus especies, como el ser humano ( Homo sapiens ), un canguro rojo (Macropus rufus), una chinchilla ( Chinchilla lanigera), una ballena blanca (Delphinapterus leucas), una jirafa (Giraffa camelopardalis), un lémur de cola anillada (Lemur catta), un jaguar (Panthera onca) o los murciélagos
(«Chiroptera»).
La clase de los mamíferos es un grupo monofilético, ya que todos sus miembros comparten una serie de novedades evolutivas exclusivas (sinapomorfías) que no aparecen en ninguna otra especie animal no incluida en ella:
Poseen glándulas sebáceas, modificadas como glándulas mamarias, capaces de segregar leche, alimento del que se abastecen todas las crías de mamíferos.
