Os mamíferos surgiram já no Mesozóico (fig. 1) há cerca de 200 milhões de anos, mais ou menos na época em que apareceram os grandes e terríveis répteis que povoam nossa imaginação – os dinossauros. Durante o domínio dos dinossauros, os mamíferos constituíam um restrito grupo de animais de pequeno porte e de hábitos noturnos. Os répteis dominavam o cenário, eram ativos durante o dia e muitos provavelmente caçavam os pequenos mamíferos, enquanto estes procuravam comida durante a noite. Talvez os primeiros mamíferos se alimentassem de ovos ou de filhotes de répteis.
Répteis e mamíferos morfologicamente não diferem muito, mas existem condições extremamente diversas nos dois grupos e de grande importância na ascensão dos mamíferos. Os répteis são heterotérmicos (existe alguma divergência quanto à condição térmica dos dinossauros), portanto inativos sob baixas temperaturas, enquanto nos mamíferos a homeotermia permite uma atividade contínua mesmo nas condições citadas, podendo assim viver em regiões temperadas, procurar comida à noite etc. A endotermia amplia o leque de áreas geográficas a serem colonizadas.
A segunda distinção entre os dois grupos está relacionada com a viabilidade dos filhotes. Os embriões de répteis desenvolvem-se no interior de ovos de casca dura (animais ovíparos), em ambientes terrestres, fato este que, quando comparado à embriologia dos anfíbios, cujos ovos são depositados na água, significa um grande avanço evolutivo. Mas os ovos são abandonados pelos pais para que sejam chocados no ambiente físico, o que seguramente aumenta o risco de predação por parte de outros animais. Os mamíferos, por sua vez, desenvolvem seus filhotes no interior do corpo materno (são vivíparos), aumentando assim as chances de sobrevivência da prole.
As duas características citadas anteriormente, entre outras, provavelmente determinam uma melhor capacidade adaptativa dos mamíferos.
Durante o período Cretáceo (fig. 2) da Era Mesozóica, há cerca de 100 milhões de anos, começou o declínio dos dinossauros, culminando com a total extinção desses grandes répteis, há aproximadamente 65 milhões de anos. A eliminação dos dinossauros abriu aos mamíferos as condições necessárias para que este grupo se expandisse e passasse a dominar o cenário da Era Cenozóica (fig. 3).
No período Cretáceo surgiram dois grupos que se tornaram ancestrais dos diversos tipos de mamíferos. O primeiro grupo corresponde aos monotremados (representados hoje apenas pelo ornitorrinco e pela equidna), que se acredita ser em um ramo direto e sem ramificações dos répteis semelhantes aos mamíferos. Nos monotremados, as fêmeas não possuem útero nem vagina, e os filhotes desenvolvem-se no interior de ovos (como os répteis). As glândulas mamárias não apresentam mamilos, e o leite que escorre pela pele do abdômen da fêmea é lambido pelos filhotes.
O segundo grupo é representado por mamíferos mesozóicos que se extinguiram no Eoceno, mas originaram os marsupiais, a partir dos quais surgiram os placentários. As fêmeas de marsupiais possuem útero e vagina duplos e não formam placenta durante a gestação. O embrião começa seu desenvolvimento no útero da mãe, mas após alguns dias o feto prematuro sai e rasteja até o marsúpio (dobras abdominais que circundam as glândulas mamárias), onde se prende, pela boca, a um mamilo e aí permanece até completar o desenvolvimento.
Atualmente, a maior parte dos mamíferos está representada por placentários (durante a gestação é formada a placenta, e o feto então pode se desenvolver totalmente no interior do útero da fêmea), mas ainda hoje encontramos marsupiais e monotremados. Estes dois últimos grupos possuem representantes vivos na Oceania e um único gênero (Didelphis, exemplo o gambá) de marsupiais na América do Sul.
