สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม จะมีการปฏิสนธิภายในและออกลูกเป็นตัว แต่ยกเว้นโมโนทรีมเท่านั้น ที่มีการวางไข่และฟักเป็นตัว เอมบริโอจะมีถุงน้ำคร่ำห่อหุ้ม และเมื่อครบกำหนดการตั้งท้องและคลอดออกมา จะมีน้ำนมจากแม่ในการเลี้ยงดูจนโตเต็มวัย สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมในอันดับมาร์ซูเปียเลีย จะมีถุงหน้าท้องและมีระยะเวลาในการตั้งท้องที่สั้นมาก ลูกที่คลอดออกมาจะยังเป็นเอมบริโอที่ไม่สมบูรณ์ เอมบริโอจะคลานเข้าไปอาศัยอยู่ในถุงหน้าท้องของแม่ และเกาะอยู่กับหัวนมของแม่ ซึ่งพัฒนาการของเอมบริโอภายในถุงหน้าท้องของแม่นั้น จะต้องอาศัยอยู่ในถุงหน้าท้องเป็นเวลานาน สำหรับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่มีสายรก เอมบริโอจะฝังตัวและเจริญเติบโตภายในมดลูก และได้รับสารอาหารจากแม่ผ่านทางสายรกที่เชื่อมระหว่างเอมบริโอกับแม่[13]

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมส่วนใหญ่ จะมีฤดูผสมพันธุ์อยู่ในช่วงฤดูใบไม้ผลิและฤดูหนาว ซึ่งจะเป็นช่วงระยะเวลาที่ดีที่สุดในรอบปี สำหรับที่จะเลี้ยงดูลูกอ่อนที่คลอดออกมา สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมเพศผู้ส่วนใหญ่ จะจับคู่ได้ตลอดเวลา ต่างจากเพศเมียที่หาระยะเวลาที่แน่นอนในแต่ละรอบ ที่จะให้เพศผู้ผสมพันธุ์ด้วยไม่ได้ ซึ่งเรียกว่าวัฎจักรเอสทรัส (estrus cycle) ซึ่งเป็นเพียงวัฎจักรสั้น ๆ เท่านั้น สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่อยู่ในวัฎจักรเอสทรัลนี้ จะมีอาการที่เรียกกันว่า "การติดสัด" (estrus) โดยวงจรเอสทรัส จะแบ่งเป็นขั้นตอนต่าง ๆ ตามลักษณะการเปลี่ยนแปลงของเพศเมีย ได้แก่รังไข่ มดลูกและช่องคลอด ดังนี้

1. โพรเอสทรัส (proestrus) เป็นระยะเวลาของการเตรียมตัว สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมเพศเมียจะมีการเตรียมความพร้อมก่อนการผสมพันธุ์ เป็นช่วงระยะเวลาที่มีไข่เจริญขึ้นมาใหม่
2. เอสทรัส (estrus) เพศเมียจะมีความพร้อมและยอมรับในการจับคู่ผสมพันธุ์ ซึ่งจะเป็นช่วงระยะเวลาที่ไข่หลุดออกจากรังไข่ พร้อมที่จะมีการปฏิสนธิเป็นตัวอ่อน (fertilization) ที่ผนังของมดลูก และเกิดการตั้งครรภ์
3. เมตเอสทรัส (metestrus) ถ้าในกรณีที่ไม่เกิดการปฏิสนธิ หรือไม่มีการจับคู่ผสมพันธุ์กัน จะมีการปรับระบบสืบพันธุ์ของร่างกายให้คืนสู่สภาวะปกติ
4. ไดเอสทรัส (diestrus) เป็นระยะเวลาที่ต่อเน่องมาจากเมตเอสทรัส มดลูกจะเล็กลงและมีเลือดมาหล่อเลี้ยงน้อย

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมจะเกิดการติดสัดบ่อยครั้งมากน้อยและแตกต่างกันเพียงใด ขึ้นอยู่กับชนิดของสัตว์ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมจะมีเอสทรีสเพียง 1 ครั้งเท่านั้นในฤดูผสมพันธุ์เรียกว่าโมเนสทรัส (monesrus) แต่ถ้าหากเกิดโมเนสทรัสหลายครั้ง จะเป็นโพลีเอสทรัส (polyestrus) เช่นสุนัข สุนัขจิ้งจอกและค้างคาว จะเป็นโมเนสทรัส แต่สำหรับหนูนาและกระรอก รวมถึงสัตว์ในเขตร้อนอีกหลายชนิด จะเป็นโพลีเอสทรัส มนุษย์จะมีวงจรเอสทรัสที่แตกต่างกันออกไปเล็กน้อยคือ ภายหลังจากตกไข่จะเป็นระยะเวลาของประจำเดือน คือมีการหลุดออกของเยื่อบุมดลูก ซึ่งร่างกายจะขับทิ้งออกมาพร้อมกับเลือด กลายเป็นเลือดประจำเดือนหรือระดู

ระยะเวลาในการตั้งท้องภายหลังจากการผสมพันธุ์ จะแตกต่างกันตามแต่ละชนิดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม เช่น หนูจะตั้งท้องประมาณ 21 วัน กระต่ายบ้านและกระต่ายป่า จะตั้งท้องนานประมาณ 30 - 36 วัน แมว สุนัข ประมาณ 60 วัน วัว 280 วัน และช้าง ซึ่งเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่ใช้ระยะเวลาในการตั้งท้องยาวนานที่สุดถึง 22 เดือน

จำนวนของลูกอ่อนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม จะมีเฉพาะในช่วงฤดูผสมพันธุ์เท่านั้น แต่จะมีปัจจัยควบคุมปริมาณของลูกอ่อนหลายปัจจัย สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมยิ่งมีขนาดร่างกายใหญ่โตเพียงใด จำนวนลูกภายในท้องก็จะยิ่งลดน้อยลงเท่านั้น และปัจจัยสำคัญอย่างยิ่งคือศัตรูของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมในแต่ละชนิด สัตว์ฟันแทะที่มีร่างกายเล็ก จะกลายเป็นเหยื่อของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่กินเนื้อเป็นอาหาร ซึ่งจะมีจำนวนมากที่กลายเป็นเหยื่อ ทำให้สัตว์ฟันแทะเช่น หนู กระรอก กระต่าย กระแต มีปริมาณจำนวนลูกในแต่ละครอกที่ค่อนข้างมาก คือมีได้หลายครอก ครอกละหลายตัว สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่กินเนื้อเป็นอาหาร จะมีลูกเพียงครอกเดียว ครอกละประมาณ 3 - 5 ตัวต่อปี สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่มีขนาดใหญ่เช่นช้าง ม้า จะตั้งท้องและตกลูกเพียง 1 ตัวเท่านั้น ซึ่งช้างที่เป็นสัตว์บกที่ใหญ่ที่สุด จะตกลูกช้างเฉลี่ย 4 ตัวต่อ 50 ปี[13]