5 loài thú đơn huyệt (đẻ trứng), tất cả động vật có vú còn lại đều đẻ con. Ba bộ đa dạng và giàu số lượng loài nhất là Bộ Gặm nhấm (chuột, chuột cống, hải ly, chuột lang nước, chuột lang, và các loài khác), Bộ Dơi (dơi), và Bộ Chuột chù (chuột chù, chuột chũi và solenodon). Các bộ đa dạng khác là Bộ Linh trưởng, Bộ Guốc chẵn, và Bộ Ăn thịt (mèo, chó, chồn, gấu, hải cẩu và họ hàng).[1] Trong khi việc phân loại các động vật có vú ở cấp độ họ đã tương đối ổn định, phương pháp phân loại khác nhau ở các cấp độ cao hơn- cận lớp, phân lớp, siêu bộ - xuất hiện trong sách vở đương thời, đặc biệt là cho các loài thú có túi. Thay đổi nhiều trong thời gian gần đây đã phản ánh kết quả phân tích di truyền phân tử. Kết quả từ di truyền phân tử đã dẫn đến việc áp dụng các nhóm mới như Afrotheria và việc từ bỏ các nhóm truyền thống như sâu bọ.

Loài tổ tiên của động vật có vú thuộc nhóm synapsid (Mặt thú), một nhóm bò sát bao gồm cả Dimetrodon, pelycosaurs, sphenacodont... Vào cuối kỷ Cacbon, nhóm này tách ra từ dòng sauropsid (nhóm Mặt thằn lằn, đã phát triển thành các loài bò sát, các sấu, khủng long và các loài chim ngày nay). Là hậu duệ của 1 loài synapsid (đôi khi được gọi là bò sát giống động vật có vú), các động vật có vú đầu tiên xuất hiện trong kỉ Creta (phấn trắng) thời đại Trung Sinh, khoảng 225 triệu năm trước. Các loài động vật có vú hiện đại xuất hiện trong các giai đoạn của kỷ Paleogen và Neogen, sau sự tuyệt chủng của loài khủng long 66 triệu năm trước đây.