นักวิทยาศาสตร์ยังรู้น้อยมากว่าตุ่นปากเป็ดมีวิวัฒนาการมาอย่างไร แต่พบฟอสซิลอายุนับ 60 ล้านปีที่มีลักษณะคล้ายตุ่นปากเป็ด ฟอสซิลบางชนิดคล้ายตุ่นปากเป็ดมาก ต่างกันเพียงแค่สัตว์ในสมัยบรรพกาลตัวนั้นมีฟัน ส่วนตุ่นปากเป็ดไม่มี ฟอสซิลเหล่านี้ บางชิ้นพบในอเมริกาใต้และแอนตาร์กติกา นักวิทยาศาสตร์จึงสันนิษฐานว่าในยุคที่แผ่นดินยังเชื่อมต่อกันอยู่ สัตว์ในอันดับโมโนทรีมาตา (ตุ่นปากเป็ดและอีคิดนา) คงเคยอาศัยอยู่ในดินแดนแถบนั้นเช่นกัน

แต่สำหรับข้อสงสัยที่ว่า ทำไมตุ่นปากเป็ดและอีคิดนาจึงเหลือรอดอยู่เพียงแต่ในออสเตรเลียและนิวกินีเท่านั้น ยังไม่มีใครตอบได้ นอกจากมีข้อสันนิษฐานว่า คงเป็นเพราะความโดดเดี่ยวของทวีปออสเตรเลีย สัตว์เหล่านี้จึงเหลือรอดมาได้

เมื่อเปรียบเทียบระหว่างตุ่นปากเป็ดกับอีคิดนา ที่อยู่ในอันดับโมโนทรีมาตาเดียวกัน จะพบความแตกต่างได้แก่ เวลาเดิน เท้าของตุ่นปากเป็ดกางยื่นออกมานอกลำตัว คล้ายกับสัตว์เลื้อยคลาน แต่สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่น ๆ แม้แต่อีคิดนา สัตว์ร่วมอันดับโมโนทรีมาตา (Monotremata) กับตุ่นปากเป็ด เวลาเดินเท้าจะอยู่ใต้ลำตัว แต่ก็มีส่วนเหมือนกัน เช่น ตุ่นปากเป็ดมีลักษณะนิสัยคล้ายอีคิดนา ขี้อาย สันโดษ นอกฤดูผสมพันธุ์มักอยู่ตามลำพัง แต่ละตัวจะมีอาณาเขตของตนเอง หากมีการล่วงล้ำเขตกันขึ้นก็อาจมีการต่อสู้เพื่อปกป้องดินแดน แต่การปะทะเกิดไม่บ่อยนัก เพราะเมื่อเทียบกับขนาดตัวและความเร็วในการเคลื่อนที่แล้ว ตุ่นปากเป็ดครอบครองดินแดนเป็นบริเวณค่อนข้างกว้าง แม้มีการทับซ้อนกันบ้าง โอกาสที่จะเผชิญหน้ากันก็น้อยมาก และเนื่องจากตุ่นปากเป็ดเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในอันดับโมโนทรีมาตา จึงไม่มีหัวนม ลูกอ่อนของตุ่นปากเป็ดเรียกว่า พักเกิ้ล (puggle) เช่นเดียวกับลูกอีคิดนา พักเกิ้ลจะแกว่งจะงอยปากสั้นหนาของมันและดื่มกินน้ำนมที่ไหลซึมออกมาจากท่อเล็ก ๆ ที่ฐานนม ที่หน้าท้องแม่ พักเกิ้ลจะอยู่ในรังที่อบอุ่น ปลอดภัย และสุขสบายนี้จนอายุประมาณสี่เดือน ซึ่งเป็นช่วงที่มีขนเรียบเป็นมันและตัวโตเกือบเท่าแม่แล้ว ลูกตุ่นปากเป็ดจึงโผล่ออกไปดูโลกภายนอก หลังจากหัดล่าเหยื่อและหัดว่ายน้ำจนคล่องแคล่วอยู่สองสามสัปดาห์ มันก็ออกไปหาที่อยู่ใหม่เป็นของตัวเอง[2][3]