สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม มีวิวัฒนาการในระยะตอนต้นของมหายุคมีโซโซอิก ซึ่งเป็นระยะเวลายาวนานก่อนหน้าที่ไดโนเสาร์จะมีวิวัฒนาการจนถึงระดับสูงสุด มีกลุ่มของสัตว์เลื้อยคลานกลุ่มหนึ่ง ที่มีลักษณะรูปร่างคล้ายคลึงกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมปรากฏขึ้น ได้แก่เธอแรพสิด (Therapsids) ที่มีวิวัฒนาการมาจากสัตว์เลื้อยคลาน เธอแรพสิดมีการเปลี่ยนแปลงร่างกาย รวมทั้งโครงสร้างหลาย ๆ อย่าง จนมีลักษณะใกล้เคียงกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมในปัจจุบัน แต่เดิมเธอแรพสิด จะมีรยางค์สองข้างที่ตั้งฉากออกมาจากด้านข้างของลำตัว ตามลักษณะของสัตว์เลื้อยคลานในมหายุคมีโซโซอิก ต่อมาได้พัฒนาเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมคือ รยางค์ที่เคยตั้งฉากจากด้านข้างของลำตัว เปลี่ยนเป็นเหยียดตรงและแนบชิดกับลำตัวแทน ทำให้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็ว และมีศักยภาพในการล่าเพิ่มมากขึ้นกว่าเดิม

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างร่างกายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ส่วนที่สำคัญที่สุดคือกะโหลกศีรษะ มีการพัฒนาและเปลี่ยนแปลงของระบบทางเดินของอาหารและอากาศภายในช่องปากแยกออกจากกัน ช่วยทำให้สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมสามารถหายใจได้อย่างสะดวกในขณะที่คาบเหยื่อเอาไว้ในปาก และช่วยให้เวลาเคี้ยวและย่อยอาหารภายในปากมีความยาวนานมากกว่าเดิม ซึ่งในสายของการวิวัฒนาการเปลี่ยนแปลงของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม กลุ่มของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมในระยะแรก จะยังคงลักษณะของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมไว้ 2 รูปแบบคือ การมีขนปกคลุมร่างกายและการมีต่อมน้ำนมเพื่อสำหรับเลี้ยงลูกอ่อน[4]

ในปัจจุบัน สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมส่วนใหญ่จัดอยู่ในชั้นย่อยเธอเรีย (Subclass Theria) หรือสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่ออกลูกเป็นตัว ซึ่งเป็นการสืบเชื้อสายมาจากบรรพบุรุษของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมในยุคจูแรสซิก เมื่อประมาณ 150 ล้านปีมาแล้ว ซึ่งแตกต่างจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมอีกกลุ่มคือชั้นย่อยโพรโทเธอเรีย (Subclass Prototheria) ที่เป็นกลุ่มของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม มีถิ่นฐานอาศัยอยู่ในแถบทวีปออสเตรเลีย ได้แก่ แทสเมเนีย (Tasmanial) และนิวกินี (New Guinea) ที่เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่วางไข่ มีรูปร่างและลักษณะแตกต่างจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมชนิดอื่น ๆ ที่ยังคงลักษณะของสัตว์เลื้อยคลานเกือบทั้งหมด

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมในชั้นย่อยโพรโทเธอเรีย มีความเป็นไปได้สูงในการที่จะสืบเชื้อสายมาจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมชนิดอื่น ๆ ซึ่งการแบ่งแยกเธอเรียและโพรโทเธอเรียออกจากกัน น่าจะมีมาตั้งแต่ในยุคไทรแอสซิก โดยตามหลักฐานทางธรณีวิทยา ที่นักธรณีวิทยาได้ทำการศึกษาและค้นคว้า พบเพียงชิ้นส่วนกระดูกเล็ก ๆ ในช่วงระหว่างยุคจูแรสซิกและยุคครีเทเชียสเท่านั้น สืบเนื่องมาจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่มีชีวิตอาศัยอยู่ในยุคนั้น มีขนาดและรูปร่างเล็ก ปราดเปรียวและว่องไว มีลักษณะคล้ายคลึงกับกระรอก หรืออาจจะมีขนาดเล็กกว่าเพียงเล็กน้อย มีกระดูกที่เปราะบาง แตกหักได้ง่าย ทำให้เมื่อตายไป โครงกระดูกกลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ได้ยาก

เมื่อไดโนเสาร์เริ่มสูญพันธุ์จากเหตุการณ์อุกกาบาตพุ่งชนโลก ในขณะที่เริ่มมหายุคซีโนโซอิกนั้น สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมเริ่มเพิ่มจำนวนประชากร แพร่กระจายเผ่าพันธุ์อย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นการเริ่มยุคสมัยของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม เมื่อประมาณ 70 ล้านปีมาแล้ว โดยอาจเป็นผลกระทบมาจากสถานะของสัตว์เลื้อยคลานในระบบนิเวศ (ecological niche) ที่เกิดช่องว่างลงเป็นจำนวนมาก ส่งผลให้สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมเข้ามาแทนที่ และอาจมีเหตุผลอื่น ๆ เข้ามามีส่วนเกี่ยวข้องด้วย เช่น ความว่องไวและปราดเปรียวของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม การที่สามารถปรับและรักษาอุณหภูมิของร่างกายให้คงที่ แม้จะอยู่ในสภาวะอากาศแบบใดก็ตาม การมีขนปกคลุมทั่วทั้งร่างกาย การมีสายรกที่เป็นสายใยเชื่อมต่อระหว่างแม่และตัวอ่อน ตลอดไปจนถึงการเลี้ยงดูลูกเมื่อถือกำเนิดออกมา

เหตุผลสำคัญที่ทำให้สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม สามารถมีชีวิตอยู่รอดจากมหายุคซีโนโซอิกจนถึงปัจจุบัน คือการที่เป็นสัตว์ที่มีความฉลาดกว่าสัตว์ชนิดอื่น ๆ ในยุคเทอร์เชียรี (Tertiary) หรือเมื่อประมาณ 55 - 30 ล้านปีมาแล้ว สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมถือเป็นสัตว์ที่มีวิวัฒนาการจนสูงสุด และมีจำนวนชนิดมากที่สุดเช่นกัน และหลังจากนั้นจำนวนชนิดก็เริ่มลดน้อยลงไปเรื่อย ๆ เริ่มมีการวิวัฒนาการและปรับเปลี่ยนรูปแบบ โดยเฉพาะในช่วงระยะเวลา 1 ล้านปีสุดท้าย ซึ่งอาจเป็นผลมาจากการทำลายล้างของมนุษย์ ทั้งทางตรงและทางอ้อม