Evolusi mamalia sudah melewati berbagai tahap sejak kemunculan pertama leluhur synapsidanya pada akhir periode Karbon. Pada periode Trias Tengah, dapat ditemukan banyak spesies synapsida yang memiliki wujud mirip mamalia moderen. Garis keturunan yang mengarah kepada mamalia masa kini berpisah pada periode Jura; synapsida dari periode ini mencakup Dryolestes, yang berkerabat lebih dekat dengan placentalia dan marsupialia yang masih hidup daripada monotremata, beserta dengan Ambondro, yang berkerabat lebih dekat dengan monotremata.[1] Belakangan, garis keturunan eutheria dan metatheria berpisah; metatheria merupakan hewan yang berkerabat lebih dekat dengan marsupialia, sementara eutheria dengan plasentalia. Karena Juramaia, eutheria terawal yang diketahui, hidup pada 160 juta tahun lalu, perpisahan ini pasti terjadi pada periode yang sama.
Setelah Peristiwa kepunahan Kapur–Paleogen memusnahkan semua dinosaurus non-burung dan beberapa kelompok mamalia, mamalia berplasenta dan marsupialia meningkat keanekaragamannya, berkembang menjadi bentuk baru dan mengisi relung ekologi baru selama periode Paleogen dan Neogen. Di akhir Neogen, semua ordo mamalia moderen sudah muncul.
Garis keturunan synapsida menjadi berbeda dengan sauropsida pada akhir periode Karbon, diantara 320 dan 315 juta tahun lalu.[2] Saat ini, satu-satunya anggota synapsida yang masih hidup adalah mamalia[3], sementara garis keturunan sauropsida mengarah kepada dinosaurus, beserta dengan reptil masa kini. Secara tradisional, synapsida primitif disebut dengan pelycosauria (reptil mirip mamalia), namun sekarang dianggap sebagai istilah parafiletik yang ketinggalan zaman karena mereka bukan bagian dari garis keturunan reptil. Istilah moderen untuk hewan-hewan ini adalah stem-mamalia, protomamalia atau paramamalia.
Selama periode Perem, synapsida mencakup karnivor dominan dan beberapa herbivor penting. Pada periode Trias, dominasi ini digantikan oleh archosauria, yang menjadi hewan bertulang belakang selama era Mesozoikum. Pada era ini, mammaliaformes muncul, dengan indra penciuman yang superior, dibantu dengan ukuran otak yang besar dan relung nokturnal dengan sedikit paparan dari predasi archosauria. Kehidupan nokturnal ini kemungkinan berkontribusi besar dalam pengembangan ciri-ciri mamalia seperti endotermi dan rambut. Belakangan di era Mesozoikum, setelah dinosaurus theropoda menggantia rauisuchia sebagai karnivor dominan, mamalia menyebar ke relung ekologi lainnya, seperti menjadi hewan air, hewan layang, dan bahkan mulai memakan dinosaurus muda.[4]
Kebanyakan bukti dari perkembangan ini adalah sisa-sisa fosil. Selama bertahun-tahun, fosil dari mamalia mesozoikum dan leluhurnya sangat langka ditemukan dan fragmenter. Namun sejak pertengahan 1990-an, sudah ditemukan banyak fosil penting, terkhususnya di Tiongkok. Teknik filogenetika molekuler yang tergolong baru pada saat itu juga memberi banyak petunjuk mengenai beberapa aspek dari evolusi mamalia dengan memperkirakan waktu dari perpisahan garis keturunan penting untuk spesies moderen. Saat digunakan dengan berhati-hati, teknik tersebut umumnya (namun tidak selalu) sesuai dengan catatan fosil.[butuh rujukan]
Meski kelenjar susu merupakan fitur khas dari mamalia moderen, masih sedikit yang diketahui dari evolusi laktasi, karena jaringan halus umumnya jarang terawetkan apda catatan fosil. Kebanyakan penelitian dari evolusi mamalia berpusat pada bentuk gigi, yang merupakan bagian terkeras dari tubuh tetrapoda. Karakteristik penelitian penting lainnya mencakup evolusi dari tulang telinga tengah, postur lengan yang tegak, lelangit kedua yang bertulang, rambut, dan berdarah panas.
^White AT (May 18, 2005). "Amniota – Palaeos". Diarsipkan dari versi asli tanggal December 20, 2010. Diakses tanggal January 23, 2012.Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
^Waggoner, Ben (February 2, 1997). "Introduction to the Synapsida". University of California Museum of Paleontology. Diakses tanggal April 28, 2012.Parameter |name-list-style= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
