Основной из характеризующих признаков, лежащий в названии класса -
выкармливание детенышей молоком, образующимся в специальных молочных
железах. Подавляющая часть видов размножается живорождением, хотя
встречается и яйцерождение; оплодотворение исключительно внутреннее.
Кожа млекопитающих, за исключением водных, покрыта шерстью - нитевидными ороговевшими производными верхнего слоя кожи. Известны другие кожные образования: иглы, рога, копыта, ногти, когти, вибриссы. В коже млекопитающих - в отличие от птиц или рептилий - присутствуют разнообразные железы: потовые, сальные, молочные, пахучие.
Череп млекопитающих с крупной мозговой частью, соединяется с позвоночным столбом двумя округлыми выступами (мыщелками) , а не одним, как у рептилий. Отличается череп большей простотой в сравнении с черепом рептилий. Нижняя челюсть, например, состоит с каждой стороны из единственной кости, тогда как у рептилий - из нескольких. Позвоночник млекопитающих образован шейным, грудным, поясничным, крестцовым и хвостовым отделами. Особенность класса - количество шейных позвонков, у подавляющей части видов равное семи. Конечности млекопитающих исходно пятипалые и расположены снизу тела, а не сбоку, как у рептилий. Известны преобразования конечностей в ласты или крылья.
Мускулатура млекопитающих образована поперечно-полосатой мышечной тканью. Отличительная особенность - наличие мускульной перегородки между грудной и брюшной полостями (диафрагмы) .
Сердце млекопитающих, подобно сердцу птиц и крокодилов, четырехкамерное; кровь от него, однако, отходит по одной (левой) дуге аорты. Лишь у млекопитающих наблюдаются безъядерные красные кровяные тельца.
Органы дыхания - легкие - отличаются особым, альвеолярным типом строения; альвеолы представляют собой пузырьки, оканчивающие самые мелкие легочные ходы и пронизанные сетью капилляров.