Еще недавно класс млекопитающих считали вполне определенной группой позвоночных животных. Характерными признаками этого класса считали молочные железы, служащие для первоначального вскармливания детенышей, и волосяной покров тела. Однако оба эти признака не могут быть названы существенными, так как, например, у китов волосами покрыта только верхняя челюсть, да и то лишь в зародышевом состоянии, а, с другой стороны, у однопроходных млекопитающих не развиваются настоящие млечные железы, и они вскармливают детенышей молокообразной питательной жидкостью, выделяемой трубчатыми железами без сосков. Тем не менее оба указанные признака являются весьма важными для характеристики млекопитающих. Единственный признак, которым млекопитающие действительно отличаются от всех других классов позвоночных, составляет полная грудобрюшная преграда, отделяющая грудную полость от брюшной; что же касается рождения живых детенышей, то оно свойственно не всем млекопитающим, так как однопроходные, подобно птицам и рептилиям, откладывают яйца.
Скелет у всех млекопитающих построен довольно однообразно. Позвоночный столб резко разграничен на пять отделов: шейный, грудной, поясничный, крестцовый и хвостовой; только у китообразных, которые не имеют задних конечностей, крестца нет. Шейный отдел почти всегда состоит из семи позвонков, причем длина шеи не имеет никакого значения: у жирафы шея состоит из стольких же позвонков, как у крота, свиньи и медведя. Грудной отдел столба состоит из 10–24 позвонков, поясничный из 2–9, крестцовый из 1–9, и только в хвостовом отделе встречаются сильные вариации от 4 (у некоторых обезьян и у человека) до 46.
Зачаточные ребра имеются иногда и на других позвонках, но настоящие ребра сочленяются лишь с грудными позвонками и, соединяясь спереди грудною костью, образуют грудную клетку. Череп у всех млекопитающих состоит из одних и тех же костей, которые и сочетаются между собою довольно однообразно, соединяясь посредством швов.
Плечевой пояс состоит из двух лопаток и двух ключиц, хотя последних у некоторых млекопитающих совсем нет (напр., у копытных), у других ключицы не вполне развиваются или заменяются связками, как, напр., у грызунов и некоторых хищных.
Таз состоит из 3 пар костей: подвздошных, лобковых и седалищных, которые плотно срастаются между собой; у китообразных настоящего таза нет, и о нем напоминает лишь пара маленьких косточек.