Млекопитающие знамениты множеством удивительных особенностей. Для начала кожа зверей покрыта волосами, которые к тому же бывают разными — остевыми и пуховыми. Волос — производное работы кожных желёз типа потовых, только выделяется не жидкость, а белок кератин. Таким образом, волос — это вовсе не чешуя и не перо, которые образуются как разрастание верхнего слоя кожи. Шерсть, понятно, нужна млекопитающим прежде всего для сохранения тепла, но может использоваться для маскировки или, напротив, демонстраций — защитных или брачных. По образованию, но не по назначению близки к волосам вибриссы — чувствительные волоски, обычно расположенные на мордочке, но часто — ещё и на лапах, а у кротов и вовсе по всему телу. Вообще, кожа зверей богата кожными железами: потовые апокриновые (с белком) и эккриновые (выделяющие солевой раствор), сальные, молочные и запаховые. Всё это дополняется каким-никаким подкожным жиром. Впрочем, и некоторым млекопитающим не чужды роговые чешуи; их можно видеть, например, на крысином хвосте.
В черепе млекопитающих характерны развитое вторичное нёбо и, стало быть, большая носовая полость с костными носовыми раковинами, широкие скуловые дуги, вечная неподвижность верхней челюсти и монолитность нижней челюсти, обладающей восходящей ветвью и венечным отростком. Крайне специфическая фишка млекопитающих — мимические мышцы, позволяющие выражать богатый внутренний мир и, с обратной стороны, свидетельствующие о наличии богатого внутреннего мира. Совершенно удивительна стабильность шейного отдела позвоночника — у всех зверей семь шейных позвонков (конечно, исключения есть, но их крайне немного — лишь ленивцы и ламантины, у которых это число в принципе нестабильно: у ленивца Гофмана
Рёбра у зверей есть только в грудном отделе, а у однопроходных имеются и шейные рёбра. Поясничный отдел сгибается в вертикальной плоскости. Это позволяет млекопитающим не слишком раскачиваться при беге на выпрямленных и поставленных строго под телом лапах, а также даёт рычаг для мышц ног. Возросшая из-за усиленной прыгучести нагрузка вызывает срастание крестца. Лапы млекопитающих расположены вертикально под телом, из-за этого перестраивается плечевой пояс, от которого у большинства остаётся одна лопатка (у примитивных, типа приматов, ещё и ключица, а у самых примитивных, типа однопроходных, ещё и надгрудинник, и межключица, и коракоид, и прокоракоид). Тазовые кости срастаются между собой. В стопе для пущей упругости походки имеется пяточный бугор.
Зубная система изначально гетеродонтная, причём зубы из-за жевания и усиленных боковых нагрузок имеют развитые корни. Из-за больших прочных корней замена зубов затруднена, отчего обычно есть только две генерации зубов (по-умному: дифиодонтия) — детская молочная и взрослая постоянная. Зато верхние и нижние зубы плотно смыкаются, то есть находятся в окклюзии. Для более успешного жевания рот оборудован губами, щеками и гибким языком. Пищеварительная, выделительная и половая системы редко заканчиваются общей клоакой, будучи обычно хорошо разделены.
Дыхание рёберное, ему помогает и мускульная диафрагма; лёгкие ячеистые, с альвеолами.
Сердце четырёхкамерное, причём дуга аорты левая; эритроциты круглые, без ядра.
Размножаются млекопитающие либо яйцами, либо живорождением. Однако яйца яйцекладущих млекопитающих отличаются от яиц рептилий малым количеством желтка и мизерными размерами, так что вылупляется не полноценный самостоятельный организм, а фактически ещё эмбрион. Сумчатые тоже рожают эмбрион, но уже без стадии яйца, а у плацентарных есть плацента. Все млекопитающие без исключения заботятся о потомстве и выкармливают детёнышей молоком.
Мочеточник открывается в мочевой пузырь, который теряет функцию запасания воды; для животных с длительным беспомощным детством в гнезде и развитым обонянием (как у родителей, так и у рыщущих вокруг логова хищников) актуально уметь хоть немного терпеть. Обмен веществ у всех млекопитающих идёт до мочевины — рыбо-амфибийный признак с лишним расходом воды и энергии, зато позволяющий быстро избавиться от ядов — продуктов обмена.
В мозге наибольший отдел — конечный, причём в нём особо развиты обонятельные луковицы и новая кора, не всегда, но часто покрытая бороздами и извилинами. Из органов чувств преобладают обоняние, осязание и слух. У млекопитающих обычно развиты ушные раковины, есть барабанная часть, молоточек, наковальня и стремечко. Сетчатка глаза способна различать лишь два цвета (зелёный и синий), но у обезьян снова появились «красные» опсины — белки, реагирующие на определённую длину волны. В качестве экзотики встречаются экзотические виды чувств: электрорецепция у утконоса и эхолокация у китообразных и рукокрылых.
Огромное число наших особенностей происходят из ночного образа жизни мезозойских предков: шерсть и теплокровность, ведь даже в термоэру мелкий зверёк по ночам мог подмерзать; преобладание обоняния с осязанием и потеря способности видеть в красном и ультрафиолетовом спектрах, ведь и малоэнергетичных «красных», и тепловых «ультрафиолетовых» фотонов ночью в глухом лесу летает немного, тогда как нюхать и трогать траву и листья становится очень актуально (красное видение обезьяны потом восстановили, но ультрафиолет нашему глазу так и недоступен). Из-за этого же конечный мозг млекопитающих рос поначалу в основном за счёт обонятельных луковиц, что прекрасно видно по эндокранам, а новая кора развивалась для обработки сигналов механорецепторов от вибрисс и волос. И до сих пор у человека, с его вроде бы преобладающим зрением, разрешающая способность пальцев рук выше, чем у глаза: аккуратно потрогайте собственный лоб, а потом попробуйте разлядеть его мелкобархатистость. Между прочим, неспроста профессиональный антрополог лучше распознаёт фрагменты костей на ощупь, нежели на глаз. С другой стороны, у млекопитающих исчезли почти все пигменты, кроме пары разновидностей меланина. Отсутствие синего пигмента в волосах — один из определительных признаков всего класса, ведь в темноте да сослепу всё равно ничего не видно, так что мутации утери цветности не отсекались отбором.
Млекопитающие делятся на три основные группы: Prototheria, в числе прочих включающие однопроходных Monotremata; Allotheria — в своё время крайне успешные, но в итоге полностью вымершие; звери Theria, включающие сумчатых Metatheria и плацентарных Eutheria.