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.
В пищеварительной системе наблюдается четкое выделение отделов - ротовой полости; пищевода; желудка, в большинстве своем однокамерного, однако у некоторых представителей многокамерного (жвачных парнокопытных, верблюдов, китообразных) , и кишечника. Ротовая полость млекопитающих предварена губами, а у некоторых и объемными щеками. Слюна млекопитающих содержит ферменты, расщепляющие крахмал. Для большинства млекопитающих характерны зубы, погруженные в альвеолы, причем наблюдается разделение их на резцы, клыки, предкоренные и коренные; состоят зубы из костеподобного вещества - дентина, покрытого снаружи эмалью; эмали, впрочем, может и не быть. У большинства млекопитающих наблюдается в ходе жизни две смены зубов, молочные и постоянные.
Органы выделения у млекопитающих представлены парными почками метанефрического типа, мочеточниками и мочевым пузырем. Конечный продукт обмена - не мочевая кислота, как у рептилий или птиц, а мочевина, подобно амфибиям.
Нервная система млекопитающих отличается сильным развитием переднего мозга и коры больших полушарий.
Из чувств наиболее развиты обоняние и слух, в меньшей степени - зрение. В строении среднего уха только у млекопитающих наблюдаются три слуховые косточки (молоточек, наковальня и стремечко) и наружное ухо - слуховой проход с ушной раковиной; некоторые звери воспринимают звуки частотой до 200 кГц и используют так называемую эхолокацию, частично, а иногда и полностью заменяющую им зрение