İnsanı da içine alan, 1044 cins ve 5000 türden oluşur. Memeliler, genel olarak tüylü ve sıcakkanlıdır ve her türün kendine özgü sabit bir vücut ısısı vardır. Ciğerlerini kullanarak hava ile solunum yaparlar. Vücutları diyafram adı verilen kas niteliğindeki bir perdeyle göğüs boşluğu ve kovun boşluğu olmak üzere iki kısma ayrılır. Göğüs boşluğunda kalp ve akciğerler, karın boşluğunda ise sindirim organları bulunur. Dişi memelilerde yavrularını emzirmek için süt salgılayan meme bezleri bulunur.

Memeliler, büyüklük ve biçim bakımından değişiklikler gösterirler ve beyin her türde büyüktür. Kalp dört odacıklıdır ve kan dolaşımı çift ve tamamdır. Bir memelinin vücudunu, oldukça kalın olan bir deri kaplar ve bu deriden saç, tüy, tırnak, boynuz ve pul gibi ek yapılar çıkar. Derinin altında kalın bir yağ tabakası vardır.Bu tabaka kutuplarda ve tüy, tırnak, boynuz ve pul gibi ek yapılar çıkar. Derinin altında kalın bir yağ tabakası vardır. Bu tabaka kutuplarda ve denizlerde yaşayan memelilerde özellikle çok kalındır ve böylece bu memeliler aşırı soğuktan korunmuş olurlar. Bazı memeli türlerinin vücutları daha sık tüylerle kaplıdır.

Bu post özellikle soğuk bölgelerde yaşayan memelilerde görülür. Daha sıcak yerlerde yaşayan memelilerin tüyleri ise daha kabadır. Kirpide olduğu gibi özellikle sert ve bükülmez yapıda olan tüylerin koruyucu özellikleri vardır. Kedinin bıyıkları gibi tüyler ise duyu organı olarak görev yaparlar. Postun tümü aynı renk (örneğin beyaz, sarı, siyah, kahverengi ve kırmızının değişik tonları) ya da benekli, alacalı ya da çizgili olabilir. Ayrıca eşeye, ortama, doğa koşullarına ve mevsime göre değişiklikler gösterebilir.

Memelilerin kulaklarının hem içi, hem dışı, çok iyi gelişmiştir. Gözleri başın iki yanında ya da önündedir ve hareketli gözkapakları vardır. Ancak, köstebek gibi sürekli çukur kazan hayvanların gözleri kaybolmuştur ve bunlar genellikle kördür.Memelilerin diş yapıları çeşitlidir: dişler yanyana ya da aralıklarla bir sıra oluşturacak biçimde çenelere yerleşmiştir. Değişik türlerin dişleri, biçim, duruş ve görevleri bakımından birbirinden değişiktir. Etoburlarda ve herşeyi yiyen memelilerde dişler kesici dişler, köpek dişleri ve azı dişleri olmak üzere görevlerine göre dişler çıkar. Birer yuva içine yerleşmiş ve kökü olan dişler belli bir miktar büyüyebilirler.

Ancak, kemiricilerle domuz ve filin dişleri köksüzdür ve sürekli büyür. Kemircilerin, etoburların ve bazı böcekle beslenen memelilerin dişleri köksüzdür ve sürekli büyür. Kemircilerin, etoburların ve bazı böcekle beslenen memelilerin dişleri tam değildir; köpek dişleriyle bazen kesici dişler bulunmaz. Asya ve Afrikaya özgü karıncayiyen bir tür memelinin hiç dişi yoktur. Bazı türlerde dişler büyüyerek boynuzsu bir görünüm almıştır (dişsiz balinada olduğu gibi) ve fil ve ayıbalığında olduğu gibi, bazılarında da dişler çok fazla büyüyerek, çiğneme ve öğütme yerine birer silah görevini üstlenmişlerdir.

Memelilerin dört organı vardır; bunlar bazılarında iyi gelişmiş, bazılarında değişikliğe uğrayarak başka görevler almışlardır.Yürümek, koşmak, tırmanmak ya da yüzmek için kullanılırlar.Yarasada ön bacaklar uçmaya elverişli olacak biçimde değişmiştir.İnsan ve ayı gibi bazı türler tabanına basarak yürür; kedi ve köpek gibileri ise ayak parmakları üzerinde yürür.İnek, koyun ve at gibi toynaklılar ise ayaklarının kenarındaki kemikler üzerinde yürürler ve bunların ayaklarında tırnakların yerini toynaklar almıştır.İlk iki türün ayağında dört ya da beş parmak vardır toynaklılarda ise ayak parmağı sayısı bir ile beş arasında değişir. Genellikle toynaklılar ayakparmağı sayısı bakımından tek sayılılar ve çift sayılılar olarak adlandırılırlar.

Memelilerin başlıca duyu organları göz, kulak, dil, burun ve deridir. Bunlar sırasıyla beş ayrı duyunun yerine getirilmesini sağlar: Görme, duyma, tat alma, koklama ve dokunma, Aynı zamanda birde devinduyum vardır ki bu da hayvanın organlarının yerlerini bilmesini, hissetmesini ve kulağındaki kanatlar yoluyla dengede durmasını sağlar.

Üreme çoğunlukla vivipardır,ama yumurtlayan türler vardır. Vivapar memeliler plasental ve aplasental olmak üzere iki gruba ayrılır. Keseliler aplasentaldirler. Memeliler büyük bir olasılıkla Mezozoikum dönemenin başında ortaya çıktılar. Memelilere ait olduğu kesin çene ve diş fosilleri Jura dönemindendir.Kretas döneminde yaşamış olan bu dönemin sonunda ortadan kaybolan küçük hayvanlar memelilerin atalarıydı ve ilk plasentalı memelilerdi.Bu memelilerin fosilleri 1923de Moğolistanda ABD’li bir ekip buldu. İlk keseliler Tersiyer dönemde Avrupadan kayboldular; günümüzde yalnızca Avustralya ve Güney Amerika’da yaşamaktadırlar.

Mezozoikum döneminde dev sürüngenlerin ortadan kaybolmasıyla Tersiyer dönemde karada yaşayan omurgalıların tarihinde yeni bir dönem başladı. Memeliler bu dönemde hızla evrimleştiler, sayıları hızla arttı ve dünyanın çeşitli kesimlerine yayıldılar. En çok beyin, kafatası, dişler ve bacaklar evrimleşti ve memeliler irileştiler, ilk insanla birlikte Eski ve Yeni Dünyada fil ile boy ölçüşebilecek gibi yeni türler evrimleşti. Bunlar arasında. kâra memelilerinin en büyüğü olan ve Taş Çağı insanınca evcilleştirilmiş Megatherium, Tetrabelodon, Dinotherium. Arsinoitherium, Masto, Vintatherium ve Machaerodus sayılabilir. Avustralyada Diprotodon gibi dev keseliler ve kangurular vardı. Fil ve deniz aygırı dışında günümüzde ise dev memeli türü kalmamıştır ve cüsseden çok beyin ve akıl gücü evrimleşmiştir.