O marco inicial para o reconhecimento científico dos mamíferos como grupo foi a publicação por John Ray (1693) da obra "Synopsis methodica animalium quadrupedum et serpentini generis". Onde inclui uma divisão dos animais que possuem sangue, respiram por pulmão, apresentam dois ventrículos no coração e são vivíparos. Tal definição ainda hoje se mantem válida, lembrando-se que à época os monotremados não eram conhecidos. Carolus Linnaeus (1758) com a décima edição do Systema Naturae, cunha o termo Mammalia para o qual a definição é essencialmente aquela apresentada por Ray.

Mãe amamentando seus filhotes

E. R. Hall (1981) caracterizou a classe Mammalia como: "sendo especialmente notáveis por possuírem glândulas mamárias que permitem à fêmea nutrir o filhote recém-nascido com leite; presença de pêlos, embora confinados aos estágios iniciais de desenvolvimento na maioria dos cetáceos; ramo horizontal da mandíbula é composto por um único osso; a mandíbula se articula diretamente com o crânio sem intervenção do osso quadrado; dois côndilos occipitais; diferindo das aves e répteis por possuírem diafragma e por terem hemácias anucleadas; lembram as aves e diferem dos répteis por terem sangue quente, circulação diferenciada completa e quatro câmaras cardíacas; diferem dos anfíbios e peixes pela presença do âmnio e alantóide e pela ausência de guelras".
Muitas das características comuns aos mamíferos não aparecem nos outros animais. Algumas delas, porém, podem ser observadas nas aves – uma alta taxa metabólica e níveis de atividade ou complexidade de adaptações, como cuidado pós-natal avançado e vida social, aumento da capacidade sensorial, ou enorme versatilidade ecológica. Tais características semelhantes nas duas classes sugerem que tais adaptações são homoplasias, ou seja, se desenvolveram independentemente em ambos os grupos.
Outras características mamalianas são sinapomorfias dos amniotas, adaptações partilhadas por causa do ancestral comum. Os amniotas, grupo que inclui répteis, aves e mamíferos, são vertebrados terrestres cujo desenvolvimento embrionário acontece sobre proteção de membranas fetais (âmnio, cório e alantóide). Entres as características herdadas se encontram aumento do investimento no cuidado das crias, fertilização interna, derivados queratinizados da pele, rins metanefros com ureter específico, respiração pulmonar avançada, e o papel decisivo dos ossos dérmicos na morfologia do crânio. Ao mesmo tempo, os mamíferos compartilham grande número de características com todos os demais vertebrados, incluindo o plano corpóreo, esqueleto interno, e mecanismos homeostáticos (incluindo caminhos para regulação neural e hormonal).
Os mamíferos exibem também características exclusivas, chamadas de autapomorfias. Essas características únicas servem para distinguir e diagnosticar claramente um táxon. Entre as principais autapomorfias da classe Mammalia estão:

• glândulas mamárias;
• lactação/amamentação;
• viviparidade obrigatória (exceto nos monotremados);
• presença de pêlos;
• tegumento rico em várias glândulas;
• derivações integumantárias específicas (garras, unhas, cascos, cornos, chifres, escamas, espinhos, placas dérmicas);
• posição e função dos membros são modificados para suportar modos locomotores específicos;
• cintura torácica simplificada;
• ossos pélvicos fundidos;
• diferenciação regional da coluna vertebral;
• crânio bicôndilo;
• caixa craniana aumentada;
• arcos zigomáticos maciços;
• cavidade nasal com labirinto nasoturbinado;
• presença de nariz/focinho;
• palato ósseo secundário;
• coração de quatro câmaras com o arco aórtico esquerdo persistente;
• eritrócitos bicôncavos e anucleados;
• pulmões com estrutura alveolar;
• diafragma muscular;
• órgão vocal na laringe;
• três ossículos na orelha média (estribo, bigorna e martelo);
• cóclea longa e espiralada (exceto nos monotremados);
• meato auditivo longo;
• aurículas externas (= orelhas) grandes e móveis;
• mandíbula composta por um único osso, o dentário;
• junção dentária-escamosal;
• presença de um ramo mandibular;
• dentes grandes variando em número, forma e função;
• heterodontes;
• presença de dentes molares;
• difiodontes;
• cérebro aumentado;
• maior atividade e alta versatilidade na função locomotora;
• diversidade de vida social;
• aumento do espectro de reações comportamentais e suas interconecções com o aumento da capacidade de aprendizado social e individual e diferenciação interindividual;
• crescimento limitado por fatores hormonais e estruturais;
• determinação sexual cromossômica (sistema XY).
• "topo" da cadeia evolutiva, possuindo todos os sistemas completos e reprodução sexuada.