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哺乳動物（英語：mammals）或哺乳類（mammalians）是脊椎動物亞門四足總綱哺乳綱（學名：Mammalia）下屬所有動物的統稱，是羊膜動物兩大演化支之一——合弓綱唯一尚存的族群，分胎盤類（絕大多數）、有袋類和單孔類三支亞綱。與屬於羊膜動物另一演化支蜥形綱的爬蟲類和鳥類不同的是，哺乳類具有新皮質、毛髮、三個聽小骨和布滿外分泌腺的皮膚，雌性還會用特化的汗腺——乳腺分泌富含營養的乳汁（哺乳）餵養幼崽[1]。目前已得到人類正式記錄的哺乳類有29個目約6400個物種[2]，其中物種數量最多的有齧齒目（各種通俗意義上的「鼠類」）、翼手目（蝙蝠）和真盲缺目（刺蝟、鼴鼠、鼩鼱等），多樣性略低於以上三目的有靈長目（包含人類在內的猿、猴等）、偶蹄目（豬類、駱駝、河馬和鯨豚類）和食肉目（貓科、犬科、熊類、鼬類、海豹等）。
以支序學的角度來看，哺乳類是合弓綱中唯一倖存超過中生代的成員。在約3億年前的石炭紀末期，合弓綱和蜥形綱從羊膜動物中分化出來後，蜥形綱演化成了各種爬蟲類、翼龍、恐龍和後來的鳥類，但合弓綱依靠恆定體溫和牙齒特化搶先霸占了優勢的生態棲位，是古生代晚期和中生代早期最具優勢的陸生動物族群。哺乳動物的先祖為盤龍目中的楔齒龍類，在二疊紀早期演化成了好幾支非哺乳類合弓綱，這些生物曾被誤稱為「似哺乳爬行動物」。在二疊紀中期的奧爾森滅絕事件後，同為合弓綱盤龍目的獸孔目演替取代了其他盤龍目物種成為優勢陸生動物，但在之後的瓜德魯普世末期滅絕事件中被重創。在二疊紀—三疊紀滅絕事件後，獸孔目雖然作為先驅物種有過短暫的興盛，但三疊紀愈加燥熱的惡劣氣候使得以偽鱷類為代表的蜥形綱主龍形類得以興盛並首次取代了合弓綱的霸主地位。最早的哺乳形類是由獸孔目最多樣化的犬齒獸亞目中演化而來，出現於2.34～2.32億年前晚三疊世的卡尼期洪積事件之後，和早期恐龍幾乎同時開始演化。但因為以恐龍和翼龍為代表的鳥跖類主龍在三疊紀末滅絕事件後就迅速崛起並搶占了優勢生態棲位，哺乳類只能依賴在樹林環境中晝伏夜出繼續生活在蜥形綱的陰影之下。哺乳類真正開始崛起是1.25億～8000萬年前的白堊紀陸地革命，借著被子植物和授粉昆蟲的共同演化趨勢迅速輻射擴展物種多樣性。在約6500萬年前白堊紀-古近紀滅絕事件導致所有非鳥恐龍和翼龍滅絕後，現代哺乳動物的祖先利用新生代早期的生態棲位空缺逐漸崛起並終於重新壓倒蜥形綱的鳥類和爬蟲類，讓合弓綱再次成為絕大多數陸地生態系的優勢族群。
作為四足動物，哺乳類的基本體態為四足步行，絕大多數都使用全部四肢在陸地上行走、奔跑和跳躍，但也有少數（主要是靈長目人亞科的物種，特別是人屬）能直立只用一對後肢進行雙足步行。哺乳動物的四肢末端也會因其棲息環境和生態棲位的不同而演化出適合在水生環境游泳（比如海洋哺乳動物的鰭肢或腳蹼）、在空中飛行或滑翔（皮膜）、進行樹棲攀爬懸蕩、或在岩土中掘坑打洞等活動的各種特徵形態。
哺乳動物的體型小至30至40毫米大的凹臉蝠，大到30公尺長的藍鯨（是地球史上最大動物）；壽命在2年（鼩鼱）到211年（弓頭鯨）之間不等。除單孔目是產蛋的物種外，其他現存哺乳動物都會在分娩時直接誕下幼崽。哺乳動物中最大的一個群體是胎盤動物，牠們的胎盤在孕期可以附著在母體的子宮內壁上吸取養分並透過臍帶為胎兒供養。除此之外，有袋類哺乳動物在產下幼崽後會將其置於母體腹部皮膚凹陷形成的育幼袋內進行哺乳。
因為新皮質的演化，絕大多數哺乳動物具有認知能力，有的物種還有大容量的腦和自我意識，會使用工具。哺乳動物可用多種不同的方式發聲和交流，如發出複雜的社交聲音、用氣味標記領地、發出警告信號、鳴唱、回聲定位等。哺乳動物會組織形成裂變融合社會、一雄多雌制度和等級制度——但也有的更獨來獨往，有著自己的領地。大部分哺乳動物實行「一夫多妻制」，但也有的是「一夫一妻制」或者「一妻多夫制」。
自舊石器時代開始，各種哺乳動物即廣泛在各種人類藝術創作中亮相，在繪畫、紋章、圖騰、文學、神話、宗教和影視戲劇中頻頻現身。人類演化過程中先後馴化了多種哺乳動物作為家畜，其中最早的是在末次冰期起始前後由灰狼馴化而來的狗。在全新世的新石器革命之後，農業和畜牧業活動取代狩獵採集，馴化動物（特別是馬、牛、羊和豬）成為人類的主要食物、動物產品和勞動力來源，社會構造亦由游居轉向定居，聚落之間也開始勞動分工並互相合作發展出了人類的各個文明。自那時起，被馴化的家養哺乳動物一直在人類社會的耕種生產、交通運輸、戰爭殺戮甚至宗教祭祀上為人類貢獻食物（如肉類、奶製品、下水等）、毛皮、皮革、骨骼、犄角和獠牙、動物油、血品、明膠和藥材（比如鹿茸、麝香、阿膠、牛黃和狗寶等）。人們還會狩獵各種野生哺乳動物、將其用於體育運動中（比如賽馬、馬術、鬥牛和角斗等）、作為服務個人的役用動物（主要是工作犬）或寵物（主要是貓、狗、兔、豚鼠等）、或是作為模式生物進行科學研究和實驗。然而，人類對哺乳動物棲息地的破壞（以森林砍伐為主）和偷獵活動導致了多種哺乳動物數量銳減乃至滅絕。
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自從卡爾·林奈首次將哺乳類分為一綱以來，哺乳動物的定義曾多次變動。目前，人們對哺乳動物的分類方式還沒有明確的共識；最新有關方面的研究由麥肯納與貝爾（1997年）和威爾森與里德爾（2005年）作出[3]。喬治·蓋洛德·辛普森的「哺乳動物分類與分類原則」（AMNH Bulletin v. 85, 1945）從系統分類學上闡述哺乳動物的起源和關係，他的理論直到20世紀末都還出現在各個教科書中。自辛普森發明分類系統以來，化石記錄已幾經修正。分類系統理論本身也經多方討論、發展壯大，在支序分類學出現後更是愈演愈烈。雖然實地考察中新發現的生物證據讓辛普森的分類系統逐漸落伍，但他的分類方式依然是哺乳動物分類體系中最為權威的[4]。
現存哺乳動物中物種最多的六個目，屬於胎盤動物。其中，物種最多的三個目是齧齒目（鼠、豪豬、河狸、水豚等哺乳動物）、翼手目（蝙蝠）和真盲缺目（鼩鼱、鼴鼠、溝齒鼩等）。接下來的三大目取決於選擇什麼分類方法，可以是靈長目（如猿、猴和狐猴）、鯨偶蹄目（如鯨和偶蹄目）和食肉目（如貓、狗、 鼬、熊、海豹等）[5]。2005年，第三版的《世界哺乳動物物種》共列出了5416個物種，分為1229屬、153科、29目[5]。2008年，國際自然保護聯盟（簡稱IUCN）在整理其瀕危物種紅色名錄時完成了一項歷時五年的全球哺乳動物評估計劃，共收入了5488個物種[6]。2018年發布在《哺乳動物學雜誌》的研究指出，現已知哺乳動物物種共6495個，其中包括96個最近滅絕的物種[7]。
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「哺乳動物」是一個現代生物學概念，其學名Mammalia由卡爾·林奈在1758年提出，出自拉丁語當中有「乳頭、流食」之意的mamma。在一篇1988年的文獻中，提姆·羅（Timothy Rowe）從種系發生學角度將哺乳類定義為哺乳動物的冠群，使之成為現生單孔目（針鼴和鴨嘴獸）、獸亞綱（有袋類和胎盤動物）的最近共同祖先所在的演化支，該演化支中含有該祖先的全部後代[8]。鑑於這個祖先生活在侏羅紀，羅的定義不包含任何三疊紀早期的動物，哪怕19世紀中期就已經依化石將三疊紀賊獸目劃為哺乳動物[9]。如果將哺乳動物認為是一個冠群，那麼牠的起源的時間可以由與現生哺乳動物親緣更接近的動物的出現來估計。比如說，與獸亞綱相比，昂邦獸與單孔目更接近；環齒獸屬與雙獸屬則與獸亞綱更接近。上述三個屬的化石在1.67億年前的侏羅紀中期都有發現，所以這應該是對這一冠群出現時間的合理的估計[10]。
湯姆·坎普（Tom S. Kemp）曾提出過更為傳統的定義：「擁有下頜骨–鱗狀骨頜關節的合弓綱動物，上下臼齒應能咬合，咬合過程中牙齒應能橫向移動」。坎普還提出另一定義，即當前存活的哺乳動物與中國尖齒獸的最近共同祖先所形成的演化支。在他看來，這兩個定義互相等價[11]。目前發現的滿足坎普定義的動物中，最古老的當屬2.25億年前出現的提基獸，因此從這一角度而言，哺乳動物早在三疊紀晚期就已出現[12][13]。
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1997年，馬爾科姆·C·麥肯納和蘇珊·K·貝爾（Susan K. Bell）將哺乳動物整個重新分類，其成果後來被稱作麥肯納/貝爾分類。1997年，二人著書《對物種以上級別的哺乳動物族群的分類》（Classification of Mammals above the Species Level）[14]研究了史上所有哺乳動物屬及以上的生物分類，對牠們的系統發生、關係、分布進行了描述，但有幾個高階分類與後來的分子基因資料不符。二人都是美國紐約自然史博物館的古生物學家。麥肯納從辛普森那裡得到靈感，與貝爾一道對全體現生、已滅絕哺乳動物進行分類，反映了歷史系譜學觀點[4]。
在以下列表中，已滅絕的演化支由劍標（†）標註。分類階元地位依照麥肯納與貝爾的觀點，所使用名稱與現名不同。
哺乳綱 Mammalia
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在21世紀早期，在經過對DNA分析後，分子生物學家對哺乳動物科群關係有了新的認識。這些新發現大部分已被反轉錄轉座子的出現-未出現資料獨立證實[16]。基於分子研究的分類系統將胎盤動物分為三大類/譜系——非洲獸總目、異關節總目和北方真獸高目，分子鐘推定在白堊紀時期發生分化。這三個譜系之間的關係尚有爭議，目前人們透過假定不同的基群，共提出過三個假說——以北方真獸高目為基群的大西洋獸類、以異關節總目為基群的上獸總目和以非洲獸總目為基群的外非洲胎盤類[17]。北方真獸高目下含兩個主要分支——靈長總目和勞亞獸總目。
這三個胎盤類譜系據估計在1.2億至1.05億年前分化，具體分化年代取決於估算時用的是哪種DNA（如核DNA、粒線體DNA）、[18]對古地理學資料的闡釋方式等[17]。
| 哺乳綱 Mammalia |
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包含了現存的哺乳綱以及其他已滅絕近親的合弓綱最早起源於約3.23億年前至3億年前的賓夕法尼亞世，與其他爬蟲類及鳥類的演化支分歧。哺乳綱的冠群演化自侏儸紀早期的哺乳形類物種。底下為以哺乳形類做為冠群的分支圖[21]。
| 哺乳形類 Mammaliaformes |
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最早的陸生脊椎動物為羊膜動物，和其他四足類一樣，牠們也具有肺臟及四肢。然而羊膜動物的卵內層有膜，可將水分鎖於其中，因此得以在乾燥的陸地上產卵、正常發育胚胎；相較之下，兩棲類僅能將卵產於水中[22]。
最早的羊膜動物出現於石炭紀的賓夕法尼亞世，由早期的爬蟲形類演化而來[23]，而當時在陸地上已有許多昆蟲及其他無脊椎動物棲息，陸棲的植物則包括鏈束植物、苔類植物門等。數百萬年後，羊膜動物分歧為兩個演化支：合弓綱，包含了所有哺乳動物的共同祖先；以及蜥形綱，包含了龜、蜥蜴、蛇、鱷、恐龍與鳥類[24]。合弓綱在顱骨的兩側後方僅具有單一開孔，稱為顳顬孔。合弓綱下的盤龍目包括了二疊紀早期最大型與最兇悍的物種[25]。非哺乳類的合弓綱物種過去曾被統稱為「似哺乳爬行動物」[26][27]。
合弓綱中的獸孔目，由盤龍目的楔齒龍類演化而來，出現於二疊紀中期（約2.65億年前），為當時最為興盛的陸生脊椎動物[26]。牠們在顱骨及下顎上有些許特徵與真盤龍亞目基群物種相異[26]。最早的獸孔目物種外型與楔齒龍類十分類似，而晚期的獸孔目物種如犬齒獸亞目的新頜獸小目中，有些外形已經與哺乳動物無異。從獸孔目到哺乳動物的演化依據下列特徵分為多個階段[28]：
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2.52億年前，地球上出現了多宗滅絕事件，它們所引起的連鎖效應令大多中大型獸孔目物種滅絕[29]。三疊紀早期時，中型與大型的陸生肉食生態棲位逐漸被主龍形類取代[30]。少數大型犬齒獸亞目物種如犬齒獸屬與橫齒獸科的物種仍分別保有大型肉食與草食性動物的生態棲位，但到了侏儸紀時，所有大型陸生草食動物的生態棲位均被恐龍所取代[31]。
最早的哺乳動物（克坎普的定義下）出現於約2.25億年前的三疊紀晚期，在最早的獸孔目出現4000萬年之後。這些哺乳動物於侏儸紀中期時保有夜行性食蟲動物的生態棲位[32]，但也逐漸有多樣化的發展。例如，生存於侏儸紀時期的獺形狸尾獸，具有與現存水獺類似的外型，擅長游泳、挖掘及捕捉魚類[33]。然而因為主龍類蜥形綱動物已崛起並霸占了優勢生態棲位，當時幾乎所有的哺乳動物均適應用夜行性進行錯位競爭來避開捕食者的活動時段，這些夜行性動物特有的特徵於現存的哺乳動物（縱使為晝行性）上仍然可觀察到（稱為夜行瓶頸）[34]。生存於中生代的哺乳動物主要為多瘤齒獸目、真三尖齒獸目與鼴獸類[35]。最早已知的後獸下綱為中國袋獸，發現於中國東北遼寧省地層年代1.25億年前白堊紀早期的頁岩中。該化石十分完整，甚至保留了毛簇以及軟組織的印痕[36]。
目前已知最早的真獸下綱為外型類似鼩鼱的中華侏羅獸，生存於1.6億年前的侏儸紀晚期[37]。更為晚期出現的始祖獸，出現於距今1.25億年前的白堊紀早期，具有許多有袋類共有而有胎盤類缺乏的特徵；這代表著有部分有袋類的特徵曾經存在於有袋類與有胎盤類的共同祖先上，而這些特徵在之後有胎盤類的演化支中逐漸退化或喪失[38]。例如，由骨盆向前延伸的上恥骨並不存在於現存的有胎盤類物種上，但可於有袋類、單孔目、非獸亞綱哺乳動物、多瘤齒獸目以及烏克哈獸（生存於白堊紀早期的真獸亞綱亞洲掘蝟目物種）上發現[39]。上恥骨主要用於在運動時能支持腹部，但這也限制了妊娠期胎兒發育的空間。狹窄的發育空間代表胎兒出生時的體型必須非常小，也因此不得有太長的妊娠期，為現存有袋類的共有特徵。而胎盤的演化可能發生於上恥骨的退化消失之後[40]。
目前已知最早的單孔目物種為泰諾脊齒獸，生存於距今1.2億年前的澳洲[41]。單孔目物種仍然保留有許多早期羊膜動物的特徵，包括用於排泄、排遺、生產的單一開孔（泄殖腔）[42]，以及革質未鈣化的卵[43]，這些特徵在現存的爬蟲類或鳥類身上可以發現。
生存於距今1.95億年前侏儸紀早期的吳氏巨顱獸，為最早發現下顎僅由鱗骨與齒骨組成的物種，早期合弓綱常見的關節骨已經退化[44]。
最早明確的毛髮化石證據來自於距今1.64億年前侏儸紀中期的獺形狸尾獸與哺乳形巨齒獸。1950年代，位於犬齒獸亞目物種上頜骨與前上頜骨上的小孔被認為是其感覺毛血管及神經的通道，是為間接毛髮存在的證據[45][46]；然而，這些小孔其實並無法證明感覺毛的存在，例如現存的雙領蜥其上頜骨上也具有和三尖叉齒獸類似的小孔，但是並不具有感覺毛[27][47]。不過現今大多的復原圖仍然會將三尖叉齒獸加上感覺毛[48]。針對二疊紀糞化石研究顯示，當時的非哺乳類合弓綱已經具有毛髮，這代表毛髮的存在可以向前推至二齒獸下目[49]。
目前仍無法得知哺乳動物是在何時演化為內溫動物，但多半認為獸孔目是哺乳動物演化支上最早出現的內溫動物[49][50]。現存的單孔目物種比起有袋類與有胎盤類具有較低的體溫與變化率較大的代謝速率[51]，然而有證據顯示有些較古老的單孔目物種，包含獸亞綱的祖先，可能具有與現存獸亞綱相近的體溫[52]。此外，獸亞綱中非洲獸總目與異關節總目部分現存的物種具有為了適應環境重新演化出的低體溫[53]。
哺乳動物直立式四肢的演化並不完全，現存與已滅絕的單孔目四肢均為兩側延展。向下延展的四肢特徵最早約出現於侏儸紀晚期至侏儸紀早期，生存於距今1.25億年前的始祖獸與中國袋獸均具有向下延展的四肢[54]。上恥骨最早發現於三瘤齒獸科，為牠們與哺乳形類的共有衍徵，於現存的非有胎盤類哺乳動物身上仍可發現。然而於大帶齒獸與紅層獸中上恥骨已經退化消失[55]。
一般認為乳汁的產生最早是為了讓產下的卵保持潮濕，之後才發展出哺乳的行為。這樣的論據主要來自於對現存單孔目（卵生哺乳動物）的觀察[56][57]。
獸亞綱哺乳動物於距今6600萬年前白堊紀﹣古近紀滅絕事件發生後的新生代開始填補原先由非鳥恐龍、其他蜥形綱及其他合弓綱所遺留下來的中大型生物生態棲位空缺[58]，並且體型上有十分顯著的成長（巨型動物群）[59]。在滅絕事件發生後，尚未滅絕的鳥類與哺乳類展現了十分快速的輻射演化[58]。例如，目前已知最古老的蝙蝠，爪蝠與伊神蝠，發現於約5200萬年前，在滅絕事件發生後僅經過了1400萬年，然而外型已接近現存的蝙蝠並具備了完整的飛行能力[60]。
分子類緣關係之研究原先認為大多胎盤類下的目約於1億年至8500萬年前分家，而現存大部分的科則於始新世至中新世期間出現[61]。然而，目前並沒有發現生存於白堊紀的胎盤類哺乳動物化石[62]，已知最早的胎盤類哺乳動物出現於非鳥恐龍滅絕之後[62]，過去認為是古新世早期的古蹄獸[63]，然而近年來的研究將牠們重新分類為非胎盤類的真獸下綱物種[64]。在基因與型態變化率的重新校準之後，普遍認為胎盤類哺乳動物起源於馬斯垂克期，而現存大多的演化支則起源於古新世[65]。
現生的哺乳動物都有汗腺，某些物種的汗腺分化為可以產奶的器官以哺育幼崽[67]。然而，在分類化石的時候，汗腺並沒有辦法作為辨別哺乳動物的特徵，因為化石無法保存軟組織[68]。
早期哺乳動物具有許多共同特徵：
- 顎關節——下頜骨和鱗骨（顱骨中的一塊小型骨骼）連結，形成下顎。大多數有頷下門動物（包括早期的獸孔目）的顎關節還有關節骨（下顎後方的小骨）和方骨（上顎後方的小骨）[44]。
- 中耳——在冠群哺乳動物中，聲音從鼓膜透過三塊連結在一起的骨骼傳入耳內，這三塊骨骼分別是錘骨、砧骨和鐙骨。錘骨和砧骨由關節骨和早期獸孔目下頜關節的方骨演化而來[69]。
- 換牙——有些物種終生只會換一次牙（再出齒），有些則完全不換牙（一出齒），如齒鯨和鼠科[70]。大象、海牛和袋鼠終生會不斷地換牙（多出齒）[71]。
- 釉柱釉質——牙齒表面的牙釉質由稜柱狀固體構造構成，從牙本質一直延伸到牙齒表面[72]。
- 雙枕髁——哺乳動物的枕骨後頂有兩個關節髁，與寰椎相接；然而多數四足類僅具有單枕髁[73]。
平均來說哺乳類雄性體型會大於雌性，在已被學者研究的物種中，超過45%的物種雄性體型至少比雌性大10%。大多數哺乳類的兩性異形傾向於雄性，有些則不具有兩性異形，有些則傾向於雌性（如兔形目）。物種體型越大，兩性體型的差異越大（倫施法則），這很可能是因為雄性與雌性在體型上分別承受了不同的選汰壓力。傾向於雄性的兩性異形則與雄性性擇有關，雄性互相競爭以爭取交配權，性擇壓力越大，雄性的體型差異就越大。在其他哺乳類中，性擇壓力也與雄性與雌性的體型大小有關。至於雌性的選汰壓力，學者發現一夫多妻程度越高的物種，斷奶的時間越晚，就算去除掉體重差異，校正潛在的偏差後，結果亦然，除此之外，體型較大的雌性繁殖速度較慢，顯示出對於體型較小的雌性來說，生殖選擇的壓力較大。
大部份的哺乳動物有七塊頸椎骨， 譬如蝙蝠、長頸鹿、鯨魚和人類。海牛屬和二/三趾樹懶屬都是例外，前兩者只有六塊，後者則有九塊[77]。所有哺乳動物均有新皮質，僅存在於哺乳動物的腦部位[78]。與單孔目及有袋類不同，胎盤動物有胼胝體[79]。
哺乳動物的肺部呈海綿狀及蜂巢狀。呼吸主要透過橫膈膜進行，該構造將胸腔、腹腔一分為二，呈向胸腔凸入的形狀。橫膈膜收縮時形狀變平，增加肺的容積。空氣透過口腔、鼻腔進入身體，再流經喉、氣管、支氣管，最後進到肺泡里，將肺泡張開。橫膈膜舒張則會有相反的效果，降低肺容量，將空氣壓出體外。在運動時，腹壁收縮，增加橫膈膜的壓力，可使空氣的進出頻率增加、力度增大。肋骨架也可透過其他呼吸系統肌肉擴張、收縮胸腔，讓呼吸的空氣永遠向氣壓低的方向移動[80][81]。這種肺因構造類似鐵匠的風箱而被稱作「風箱肺」（bellows lung）[81] 。 哺乳動物的心臟有四個腔室，上面兩個是心房，負責接受血液；下面兩個是心室，負責泵出血液[82]。心臟有四個瓣膜，能將各個腔室分開，確保血液沿正確的方向流動（防止回流）。肺毛細血管中的血液在氣體交換結束後會變為富氧血，經四根肺靜脈源源不斷地匯入左心房，隨後再經開口流入左心室。心房、心室舒張時，大部分血液會依照既有方向流動，但在心室舒張末期時，左心房會收縮，將血液打入心室中。和其他肌肉類似，心臟需要靠血液中的營養物質、氧氣才能正常工作，這些養分由冠狀動脈血提供[83]。
哺乳動物心臟模型
哺乳動物的外皮系統由三層皮膚組成——表皮、真皮和皮下組織。表皮通常有10至30個細胞厚，主要作用是防水。表皮層最外層的細胞不斷脫落，而最裡層的細胞會不斷分裂、將現有的細胞組織向外推。再往深處的真皮層是表皮層的15至40倍厚。真皮層由血管、骨性構造等許多部分構成。皮下組織由脂肪組織構成，能儲存脂質、提供緩衝和隔熱功能。皮下組織的厚度在各個物種之間差異極大[84]:97。海洋哺乳動物為了保暖，長出了厚厚的皮下組織（鯨脂），其中露脊鯨的鯨脂最厚，可達51公分[85]。部分其他非哺乳動物長有觸鬚、羽毛、剛毛、纖毛等類似毛髮的構造，但只有哺乳動物身上才生有真正的毛髮，是哺乳動物類的一大決定性特徵。有的哺乳動物的毛髮可能不明顯，但經過仔細檢查總能發現毛髮痕跡，通常是位於身體較為遮掩的部位[84]:61。
食植動物的身體構造多種多樣，以便進食、消化植物。哺乳動物的牙齒演化出的構造可以將完整的植物組織切開。比如說，食果動物和食用軟葉子動物有低冠齒，可以磨碎葉子和種子。食草動物喜食堅硬、矽含量高的草，牠們的高冠牙能夠磨碎堅硬的植物組織，比低冠齒更耐磨[86]。大部分肉食哺乳動物長有裂肉齒（齒的長度因飲食構造而有區別）和長長的犬齒，其換牙模式也較為接近[87]。
偶蹄目的胃分為四個部分：瘤胃、蜂巢胃、重瓣胃和皺胃（只有反芻動物有瘤胃）。瘤胃和蜂巢胃負責將攝入的植物組織與口水攪拌，分為固體和液體。隨後，固體部分被壓成食團，再度返回口中，讓舌頭擠壓出汁液併吞咽回去。攝入的食物進入瘤胃和蜂巢胃後，分解纖維素的微生物（細菌、原生生物和真菌）會產生分解植物中的纖維素所需要的纖維素酶[88]。與反芻動物相反，奇蹄目會將離開胃的已消化食物儲藏於擴大的盲腸中讓細菌發酵[89]。 食草動物複雜的消化系統對於分解粗糙又堅硬的植物纖維來説是必需的，相比之下，食肉動物只有一個結構簡單的胃，適應於主要消化肉類。食肉動物的盲腸不是已經消失就是結構簡單而短小，而大腸並沒有具備囊狀組織或者寬過小腸太多[90]。
哺乳動物的排泄系統包括許多組成部分。與大多數陸生動物相似，哺乳動物是排尿素型動物，通過肝臟將氨轉化爲尿素實現尿素循環[91]。而膽紅素作爲血球中生成的副產品，會在肝臟生成的酶的幫助下，通過膽汁和尿排出體外[92]。膽紅素藉助膽汁經過消化道的過程使得哺乳動物的糞便呈現出獨特的棕色[93]。哺乳動物腎臟的典型特徵包括腎盂和腎錐體，以及由於細長的亨耳環管的存在而可以明確區分開的腎皮質和腎髓質。只有哺乳動物的腎臟呈豆狀，但也有少數例外，如鰭足類、鯨豚類和熊類的多頁腎臟[94][95]。大部分成年胎盤動物體內都沒有泄殖腔的殘留痕跡。在胚胎時期，胚胎泄殖腔會發育成爲前部和後部，後部成爲肛門的一部分，而前部的發育則取決於個體的性別：雌性會發育成爲包括尿道和陰道的前庭，而雄性則發育成爲陰莖尿道。[95] 不過馬島蝟科、金毛鼴科和部分鼩鼱科成年後仍會保留泄殖腔[96]。在有袋類中，生殖道與肛門雖然是分開的，但是外部仍然留有原始泄殖腔存在的痕跡[95]。單孔目的學名「Monotremata」出自古希臘語的 μονός（monós，單一的）與 τρῆμα（trêma，孔），牠們擁有真正的泄殖腔[97]。
與其他四足類一樣，哺乳動物有一個可以迅速打開和關閉的喉以發出聲音，以及一個能過濾這種聲音的上喉聲道。肺和周圍的肌肉組織可以提供發聲態所需要的氣流和壓力。而喉部控制著聲音的音高和響度，不過肺部呼出時的力量也有助於響度的提高。更原始的哺乳動物，例如針鼴，只能發出嘶嘶聲，因爲聲音是通過部分封閉的喉嚨呼出實現的。剩下的哺乳動物用聲帶發出聲音，而非像鳥類的鳴管。聲帶在震動和繃緊時可以產生多種不同的聲音，例如呼嚕聲和尖叫聲。哺乳動物可以改變他們喉部的位置，在吞嚥時可以繼續通過鼻子呼吸，並且可以同時發出口腔音和鼻音，例如：狗的嗚嗚聲一般來説都很柔和，這是鼻音；而狗的叫聲一般都很響亮，這是口腔的聲音[98]。
部分哺乳動物擁有較大的喉嚨，因此音高較低，例如錘頭果蝠的喉部可以占據整個胸腔並把肺、心臟和氣管推入腹部[99]。大的聲帶也可以降低音高，如大貓的低吼[100]。一些哺乳動物還可以發出次聲波，如非洲象和鬚鯨[101][102]。喉部較小的小型哺乳動物可以發出超音波，可被特殊發育出的中耳和耳蝸探測到。在中生代時期，鳥類和爬蟲類是哺乳類最大的天敵，但鳥類和爬蟲類聽不見超音波，那段時期超音波對哺乳類至關重要。一些齧齒類動物的母親和幼崽會用這一秘密的通信方法交流，蝙蝠也能用超音波回聲定位。齒鯨也會使用回聲定位，不過，與使用聲帶上延伸出來的聲膜所不同，齒鯨是通過額隆來控制聲音的。一些哺乳動物（如靈長類）的聲帶上附有一個氣囊，可以用來降低共鳴或者增大音量[98]。
哺乳動物的發聲系統由大腦中的腦神經核控制，其神經信號經由部分迷走神經（即喉返神經和上喉神經）傳遞。聲道則由舌下神經和顏面神經傳遞信號。對哺乳動物中腦內的導水管周圍灰質區域進行電刺激會引起發聲。哺乳動物中，只有人類、海豹、鯨類和大象（可能也有蝙蝠）能夠學習發出新聲音。人類之所以有這一能力，是因為控制動作的運動皮層和脊髓中的運動神經元直接相連[98]。
除了部分靈長目和後獸下綱動物外，其他所有哺乳類都是嚴格的二色視覺者，但其上級分類脊椎動物大都是四色視覺者。這是因為在演化早期為了避免與占據生態棲位優勢的主龍形類在同一時間活動，哺乳動物大多是夜行性的，於是在這段漫長的時間裡便逐漸喪失視網膜中四種視錐細胞中的兩種。然而因禍得福，哺乳動物的夜視能力比大多數其他脊椎動物要強[103][104][105]。部分靈長目的祖先透過基因突變獲得了三色視覺[106]。
哺乳動物皮毛的主要功能為體溫調節，其他功能則包括保護、感測環境、防水與偽裝[107]，不同形式的皮毛具有不同的稱呼及功能[84]:99：
毛髮長度與體溫調節無關：例如，部分棲息於熱帶地區的哺乳動物，如樹懶，牠們的毛髮長度和極地哺乳動物的毛髮長度幾乎相等，但並不具有與之對應的保暖能力；反而，部分僅具有短毛的熱帶哺乳動物，保暖能力卻與極區哺乳動物相當。毛髮生長的密度可以影響保暖的能力，尤其棲息於極區的哺乳動物的毛髮極為濃密，例如麝牛除了具有30公分長的護毛外，還具有高密度的絨毛，能有效鎖住並減少體熱的散失，讓牠們能於-40°C的環境下生存[84]:162–163。有些沙漠哺乳動物，如駱駝，則透過高密度的毛來將外在環境的熱度隔絕於外，確保個體不會過熱；在夏天時，駱駝的毛髮溫度可達70°C，而皮膚溫度則能維持在40°C上下[84]:188。水生哺乳動物的毛髮也十分濃密，可將水隔絕於外、保持皮膚乾燥，從而減少體熱散失[84]:162–163。
哺乳動物的體色源自於外在生存壓力，主要為偽裝、性選擇、溝通、及體溫調節。皮膚與毛髮的顏色主要由黑色素的種類與數量決定。真黑素構成了棕色及黑色；棕黑色素則構成了黃色及紅棕色，使個體帶有大地色調[108][109]。有些哺乳動物，如山魈，由於構造色具有更為鮮艷的體色[110]。許多樹懶為綠色，因為牠們的毛髮中帶有藻類，這些藻類與樹懶共生，可幫助樹懶偽裝[111]。
大多哺乳動物都會仰賴牠們的體色來進行偽裝，減少被獵物或掠食者發現的機會[112]。棲息於北極及亞北極地區的哺乳動物，如北極狐、環頸旅鼠 、白鼬、白靴兔，夏天時體色是棕色，而在冬天體色變為白色，這樣毛色的變化可幫助牠們融入周遭環境[113]。以靈長類和有袋類為主的樹棲哺乳動物在身上的某些部位具有紫色、綠色或藍色的斑塊，這樣的趨同演化顯示這些斑塊可能有助於牠們在樹棲的環境中生存[110]。
部分具有自我防衛能力的哺乳動物，例如具有強烈氣味的臭鼬、以及兇悍的蜜獾，具有黑白相間的毛皮，能發揮警戒作用[114]。 哺乳動物的體色有時為兩性異形，常見於靈長目物種[115]。雌性與雄性間的體色差異可能代表了攝取營養量或是荷爾蒙強度不同，而這些通常是選擇配偶的重要因素[116]。體色也會影響到身體維持熱量的能力，較深色的毛髮可以幫助哺乳動物從太陽輻射中吸收較多的熱量。部分小型哺乳動物，例如田鼠，在冬天時具有較深色的毛髮以用於保暖。另外，斑馬身上黑白相間的條紋似乎可以降低牠們被蚊蟲侵擾的機率[117]。
雄性胎盤哺乳動物的陰莖兼具排尿和交配功能。不同物種勃起的方式不同，有的是靠海綿體血管充血，有的是用肌肉運動。有的陰莖在疲軟時會收入陰莖鞘中，此外有的胎盤動物還生有陰莖骨[118]。有袋類動物的陰莖通常會分叉[119]，針鼴的陰莖則通常有四個末端，其中只有兩個能正常工作[120]。絕大多數哺乳動物的睪丸位於陰囊中，通常這一構造位於陰莖之後，但有袋目的陰囊在陰莖之前。雌性哺乳動物通常擁有陰蒂、大陰唇、小陰唇等外陰構造，體內則通常有成對的輸卵管、一至兩個子宮、一至兩個子宮頸以及一條陰道。有袋目由兩條側陰道和一條中陰道。單孔目動物的「陰道」構造類似於「泌尿生殖竇」。胎盤動物的子宮形態各異，有的是雙子宮、雙宮頸共享一條陰道的重複子宮；有的是兩個子宮角接入一個宮頸、一條陰道的對分子宮；有的是兩個子宮角在遠端相連，又在中線處分開，呈「Y」形狀，稱之為雙角子宮；再有的只有一個子宮，稱為單子宮[121][122][84]:220–221, 247。
哺乳動物的祖先繁殖時會娩出未完全發育的胎兒，要麼是直接胎生，要麼在出世前會暫時裹在軟殼卵中。這一機制很可能是由於上恥骨構造導致胎兒軀幹無法進一步生長。卡岩塔獸是已知採用這一繁衍方式的合弓綱中最古老的一屬，分娩時誕下未發育的圍產期幼崽，但大小比所有現代哺乳動物的幼崽都要大[123]。絕大部分現存哺乳動物都是胎生，直接產下成型的幼崽。不過，單孔目其下的物種都是產蛋的。單孔目的性別決定系統和大部分其他哺乳動物的都不一樣[124]。其中，鴨嘴獸的性染色體不像獸亞綱的哺乳動物，倒與雞的更為相像[125]。
胎生哺乳動物均屬於獸亞綱，其中現今存活的哺乳類分布在有袋類和胎盤類這兩個下綱中。有袋類動物的妊娠時間較短，通常短於其發情期，未完全發育幼崽誕下後會在母親體外繼續發育。許多有袋目生有育幼袋，位於母親的腹部。這是諸多胎生動物的共同祖征；非胎盤類動物的下恥骨導致胎兒軀幹分娩前無法完全發育[75]。就連不屬於胎盤類的真獸下綱都是如此繁衍的[126]。胎盤類哺乳動物的幼崽出生時相對發育較為完善，但母親懷孕時間更長些[127]。其名稱「胎盤動物」中的「胎盤」二字指的就是連結胎兒、子宮壁之間的構造，可幫助胎兒獲取營養[128]。胎盤哺乳動物要麼完全沒有下恥骨，要麼下恥骨已演變為陰蒂骨，好讓胎兒軀幹在母體內進一步發育[123]。
哺乳動物經過特化的乳腺能夠產奶，是幼崽的主要食物來源。單孔目動物由於分化出去的時間較早，沒有絕大多數哺乳動都有的乳頭，但卻有乳腺構造，幼崽會舔舐母親腹部的哺乳斑塊來攝入母乳[129]。和胎盤動物相比，有袋目動物因幼崽出生時發育不完善，其母乳不論是營養成分還是出奶頻率都大不相同。此外，有袋目的乳腺各自獨立工作，能在幼崽的各個發育階段提供不同的母乳[130]。乳糖為胎盤類母乳的主要糖份、而有袋類母乳的主要糖份則主要為寡醣[131]。斷奶指的是哺乳動物在成長過程中，逐漸脫離母乳轉向攝食固體食物的過程[132]。
幾乎所有哺乳動物皆為內溫動物，能透過毛髮留住熱量來維持體溫恆定，因此，比起爬蟲類與昆蟲等外溫動物，哺乳動物和鳥類可以在較為寒冷的環境中活動。內溫動物透過攝取食物來提供熱量，因此需要的食物比體重相同的爬蟲類還多[133]。小型食蟲哺乳動物食量驚人，例如普通鼩鼱每天就必須攝取相當於體重2至3倍的食物。少數物種幾乎不會產出代謝熱，因此被認為是變溫動物，如裸鼴鼠[134]。另一個特例是樹懶，牠們的體溫隨著環境溫度變化，範圍大約在25°C至35°C，最低時可能只有20°C，為異溫動物[135]。鳥類也是內溫動物，因此內溫性並非哺乳動物專屬的特徵[136]。
哺乳動物的壽命差異極大，如鼩鼱大約可以活2年，而已知最長壽的弓頭鯨則活到了211歲[137]。影響壽命長短的因素目前未知，但數名學者認為主要的因子是DNA修復的能力。哈特（Hart）與塞特洛夫（Setlow）於1974年的研究顯示，在七種哺乳動物中，DNA切除修復的能力與壽命長短成正比[138]。物種壽命不但與辨識DNA雙股結構斷裂的能力有關，也與DNA修復蛋白質Ku80的濃度有關[137]。一個包含16種哺乳動物細胞的研究顯示，長壽物種負責修復DNA的基因較為活躍[139]。一個包含十三種哺乳動物的研究顯示，細胞中DNA修復酶聚腺苷酸二磷酸核糖轉移酶的濃度與壽命相關[140]。其他研究也顯示數種哺乳動物的壽命與DNA修復能力相關[141][142][143]。
大多脊椎動物——包括兩棲類、爬蟲類與部分哺乳動物，均為蹠行，整個腳掌貼地而行；而部分哺乳動物，如貓或狗，則為趾行，行走時僅有部分腳趾著地，這樣跨步距離更大，動物也因而能夠以更快的速度進行奔跑。除了這些靈活性高的動作外，趾行的哺乳動物多半也具有較為安靜的移動方式[144]。另外有部分哺乳動物，例如馬，為蹄行，行走時僅有趾尖上的角質蹄甲著地，進一步地提高跨步距離與速度[145]。少數哺乳動物，如大型猿類、大食蟻獸[146]與鴨嘴獸[147]，前肢是以指背行走。部分哺乳動物以雙足步行，例如人類；相較於四足著地的動物，雙足動物擁有更好的視野、保存更多的體力，並可使用雙手操作物件、或是抓取食物。部分雙足哺乳動物跳躍前行取代行走，例如袋鼠與更格盧鼠[148][149]。
在不同地形、情境、移動速度下，動物會採用不同的步態。舉例來說，馬在自然情況下就具有四種步態，其中速度最慢的步態為常步，其他三種依據速度由慢至快分別為速步、驅步及襲步。動物有時也會有較為不常見的步態，例如側走或倒退。例如人類主要的步態為步行與跑步，但是在面臨其他環境時也會使用不同的步態，例如在狹窄的空間中，人類就會改用四肢匍匐的形式前進[150]。哺乳動物的步態多種多樣，在移動時附肢落下或舉起順序千變萬化；根據這樣順序的排列，大體上能將步態分為數類。以四足動物為例，主要分為三類：行走步態、跑步步態以及飛躍步態[151]。行走為最常見的步態，是指在任何時間均會有其中一足著地的狀態；而跑步則在某些時刻，會發生所有肢體均騰空不著地的情況[150]。
蝙蝠是哺乳類中唯一真正可以飛行的。 牠們透過上下扇動翅膀（通常還有一些前後的運動）可以在空中以恆定的速度飛行。蝙蝠本身的運動速度，與翅膀相對於空氣的運動相疊加，可以在翅膀上形成更快的氣流。這將會產生指向前方與上方的升力，與指向後方與上方的阻力。這些力向上的分量用於抵消蝙蝠自身的重力，使其保持在空中。這些力向前的分量是蝙蝠向前飛行的動力[152]。
與鳥類相比，蝙蝠的翅膀更薄，有更多的骨骼，可更精細地控制翅膀，飛行時能提高的升力、減少阻力[153][154]。蝙蝠在向上扇動翅膀時，可以將翅膀向身體一側收起，這讓牠們在飛行中消耗的能量比鳥類減少了35%[155]。牠們的翼膜很容易受傷。不過翼膜上的組織可以再生，一些小的裂傷可以很快癒合[156]。在蝙蝠翅膀的小突起上，有一些對觸覺敏感的梅克爾細胞。這種細胞也存在於人類的指尖。這些敏感區域的位置在不同種類的蝙蝠上是不同的。每個突起中心都有一根細毛，使得這些區域更加敏感，讓蝙蝠可以檢測和收集透過翅膀的氣流資訊。蝙蝠可以利用這些資訊改變翅膀的形狀，進一步提高飛行效率[157]。
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林棲動物大多擁有修長的四肢，可穿過縫隙取得果實或者其他資源、測試前方著力點的堅固程度，還可以在樹間擺蕩[158]。像樹豪豬、侏食蟻獸、蜘蛛猴、袋貂般的林棲動物會捲起尾巴纏握樹枝。蜘蛛猴的尾巴尖端長有黏著墊或一小塊無毛的區域，可增大摩擦力。牠們的爪子可在粗糙接觸面上幫助調整運動方向。松鼠爬樹也是基於類似的原理——松鼠身體輕盈，其爪子提供的摩擦力可讓牠們在巨大的樹幹上如履平地。然而爪子也會干擾動物抓取細小的樹枝，因為在抓握時指爪可能會繞樹枝一周，反過來刺入掌心。靈長類動物的指尖無毛，可在抓握時提供摩擦力，幫助動物將手固定在樹枝上。不過這種抓握方式會受摩擦力的角度影響，所以太過粗大的樹枝會導致抓握力下降。在下樹時，一些林棲動物（例如松鼠）演化出了靈活性極強的踝關節，這使得牠們的腳可以轉到完全「相反」的角度，好讓爪子鉤住粗糙的樹皮以對抗重力。林棲動物的小體型帶給牠們許多優勢，例如：增加了樹枝對牠們的相對尺寸、降低了重心、增加了穩定性、減輕了重量（使得牠們可以在細小的樹枝間穿梭）以及增加了在複雜的棲息地裏活動的能力[158]。蜜袋鼯等滑翔動物的體型和體重對牠們的滑翔能力影響極大[159]。部分靈長類動物、蝙蝠，以及所有種類的樹懶能夠以各種角度將自己穩穩地掛在樹枝上，只在失去抓力時才會跌落[158]。
穴居哺乳動物（如獾、裸鼴鼠等）擅長挖掘洞穴，主要棲息於地底。許多齧齒目屬於穴居哺乳動物，牠們大部分時間躲在自己挖的地穴中，只有少數時間會在地表活動。「土棲哺乳動物」完全在地底棲息，只演化出一部分適應地底活動的則被稱為「半穴居哺乳動物」。有些穴居物種會鑽入地下來調節體溫、躲避掠食者的捕食和儲藏食物[160]。
穴居哺乳動物多半具有梭形的身體，在肩膀處最寬，尾巴及口鼻部兩端收窄。由於長時間置身於不可見光的地穴中，許多穴居哺乳動物的眼睛均有退化的現象，不同物種的退化程度不同。大多半穴居哺乳動物的眼睛仍未退化；囊鼠的眼睛雖然非常小，但仍然保有作用。不過，完全穴居的哺乳動物（如袋鼴）的眼睛已經完全退化，比如鼴鼠的眼睛退化為痕跡器官，金毛鼴的眼睛表層更是直接被皮膚覆蓋。和眼睛類似，穴居哺乳動物的外耳廓也大多偏小或退化。完全穴居的哺乳動物大多擁有較粗短的四肢，可爆發出更強的力量；而許多半穴居哺乳動物則仍然保有適合奔跑的四肢。穴棲動物的前掌大多寬厚，能在挖掘地穴時將土挖鬆；後掌則大多具有蹼和爪的構造，能將這些挖鬆的土向後推。部分穴居哺乳動物的門齒較大，可防止泥土灌入口內[161]。
鯨豚與海牛等完全水生的哺乳動物，牠們的後肢已經演化成尾鰭來在水中推進。鯨豚透過上下扭動身體來帶動尾鰭於水中高速推進，特化為胸鰭的前肢則能操控方向。許多動物還有背鰭，可防止牠們在游泳時腹背翻轉[163][164]。海牛同樣透過上下擺動尾鰭來於水中推進，並能透過傾斜來轉向，前肢則如槳一樣能協助轉彎或是做為剎車減緩推進的速度[165]。
半水棲的哺乳動物（如鰭足類）同時具有特化如槳的前後肢，肘關節與踝關節則埋藏於軀幹內[166][167]。這些動物的身體經過演化，可以將水的阻力儘量減少。牠們擁有流線型的身體，皮膚中的肌束還能增加身體四周的層流，讓牠們輕鬆掠過水中。另外牠們也沒有立毛肌，好讓毛髮在游泳時能維持平鋪，確保身體保持流線形[168]。牠們主要透過拍動槳狀的前肢來推進，類似於企鵝與海龜[169]；槳狀前肢的運動並不是連貫的，動物在每次划水之間用滑動體態保持前行[167]。和陸生的食肉目物種相比，鰭足類具有較短的前肢，形成較短的力矩讓牠們附著於肩膀與肘關節的肌肉能夠爆發出更強的力量[166]。後肢部分則主要用來穩定游泳時行進的方向[168]。其他半水棲的哺乳動物則包括河狸、河馬、水獺及鴨嘴獸[170]。河馬為十分大型的半水棲動物，長有粗壯的骨骼，可支撐起牠們龐大的體重[171]，同時較高的比重讓牠們得以沉至水底並於河床上行走[172]。
許多哺乳動物透過發出聲音來交流。聲音交流可以達成諸多目的，比如求偶、警戒[174]、指明食物來源、社交等。雄性在求偶時發出的聲音可屏退其他雄性、吸引雌性，比如獅子和紅鹿的吼聲[175]。座頭鯨的鯨歌可以吸引雌性；[176]牠們在不同海域時，發出的聲音也會不一樣[177]。某些動物的叫聲具有社交功能，如長臂猿的領域叫聲。長矛鼻蝙蝠還能用不同的聲音頻率來分辨不同的群體[178]。長尾黑顎猴能發出不同的警示音來針對至少四種捕食者，而猴群也會依據警示音的不同做出不同反應。舉例來說，如果警示音警示有蟒蛇出現，則猴群爬上樹；而如果是警示有老鷹出現，猴群則會逃往地面[173]。草原犬鼠同樣有類似的機制來提示不同物種、體型與移動速度的掠食者[179]。大象也能夠過使用許多不同的聲音與其他個體進行溝通，包括呼嚕聲、尖嘯、共鳴聲（透過象鼻發出）、吼叫聲與隆隆聲；其中隆隆聲屬於低音頻的次聲波，低於人類的聽力範圍，但卻能夠被遠在9.7公里外的其他大象聽見[180]。
哺乳動物的發出信號的方式多種多樣。許多動物能發出反捕食者信號，比如鹿與瞪羚可透過四腳彈跳來顯示自己的身體狀況、逃跑能力[181][182]，白尾鹿等被捕食者也會在警戒時搖動尾巴，告誡捕食者自己已經覺察到了牠的存在[183]。許多哺乳動物會用氣味標記自己的領域，有的是出於防禦目的，可在種間、種內起到識別作用。[184][185][186]小蝙蝠和包括海豚在內的齒鯨能透過聲音社交、回聲定位[187][188][189]。
哺乳動物要維持恆常體溫會消耗很多能量，因此需要大量補充豐富的營養。雖說最早的一批哺乳動物很可能是捕食者，但後來牠們逐漸演化，各個不同物種間的飲食構造也有了很大的區別。肉食動物（包括食蟲動物）以捕獵、進食其他動物的肉為主。植食動物的飲食以植物為主，會食用纖維素等複合碳水化合物。植食動物還能繼續細分下去，如食種動物、食葉動物、食果動物、食蜜動物、食膠動物和食菌動物。食植動物主要在多室胃或盲腸中消化食物。牠們的消化道中含有大量細菌，可協助發酵這些複合物質使其易於消化[88]。有些哺乳動物會食糞，擷取糞便中未被吸收的營養物質[84]:131–137。雜食動物既吃植物也吃別的動物。肉食動物的消化系統構造較為簡單，因為肉類含有的蛋白質、脂類和礦物質不需要特別的消化步驟。不過，鬚鯨的多室胃有腸道菌群，和陸生食植動物類似[190]。
動物體型與其飲食構造也有關係（艾倫法則）。小型哺乳動物的表面積-體型比率大，散熱速率也較高，因此需要獲取更多的能量來滿足其高代謝速率。體重小於510公克的哺乳動物多為食蟲動物，因為植物的消化得慢，趕不上牠們消耗能量的速度。大型動物能產生更多能量，能量消耗速率也低，因此能夠慢慢覓食（使用大型有脊椎動物的肉食動物）或慢慢消化（食植動物）[191]。此外，體重大於510公克的動物通常無法收集到足夠多的昆蟲支撐其消耗量，大型食蟲動物只有那些能一口氣吃下整個螞蟻窩或者白蟻窩盡的能夠生存下去[192]。
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有的雜食性哺乳動物會更偏向食肉或者食植。鑑於植物和肉類的消化方式不同，哺乳動物在進食時也會更偏愛其中一種，比如有些熊類喜歡吃肉，另一些則更愛吃植物[194]。依照飲食構造的不同，人們將雜食性哺乳動物分為三大類——飲食中肉類占比不到50%的低級食肉動物、占比50%至70%的中級食肉動物和占比70%以上的超級食肉動物。低級食肉動物的牙齒呈鈍三角形，方便磨碎食物。超級食肉動物的牙齒由圓錐形牙齒和鋒利的裂齒組成，可用於切割食物。有的超級食肉動物（如鬣狗）的下顎十分強壯，可咀嚼骨骼。一些已經滅絕的動物（如劍齒虎亞科）還長有刀刃狀的犬齒[193]。
有的哺乳動物雖然生理上是肉食動物，但卻會食用植物；還有的反過來，長著植食動物的消化系統但是吃肉。從行為學角度來看這樣的動物應該被劃入雜食性動物的範疇，不過從生理角度講，這可能是動物為了保持膳食營養均衡而出現的進食行為。雜食動物必須從肉類、植物中同時吸收微量營養和能量，二者缺一不可。上文提到的會吃肉的植食動物和會吃植物的肉食動物都只是在獲取微量營養，牠們的能量來源還是遵從牠們所在的分類的[195]。許多有蹄類動物，如長頸鹿、駱駝、牛等，會啃咬骨頭來獲取一些營養素和礦物質[196]。貓固然是食肉動物，但有時也會吃草，幫助牠們吐出無法消化的毛球、產生血紅素、排便[197]。
無法覓到足夠食物時，許多哺乳動物會進入冬眠狀態，降低新陳代謝率來減少能量消耗。[198]冬眠前，大型哺乳動物（如熊）會大量進食，在體內屯積大量脂肪，小型哺乳動物則會收集、貯藏大量食物[199]。冬眠期間，新陳代謝速率降低，心跳、呼吸速度放緩，體溫甚至能下降到和周遭環境一樣的溫度。比如，北極地松鼠在冬眠時體溫可降至-2.9°C，但頭與頸會始終保持在0°C以上。[200]在旱季、酷暑時節，一些生活在燥熱環境中的哺乳動物（肥尾鼠狐猴）會夏眠[201]。
在智力較高的哺乳動物中（如靈長類），腦部中大腦的占比也較高。智力本身難以定義，但是有很多行為可以顯示出該個體具有智力，例如學習能力，以及根據情況改變行為的能力。舉例來說，普遍認為大鼠的智力較高，能夠學習並做出各種行為，當大鼠移動到全新的環境中時，這些能力能夠協助適應新環境。某些哺乳類的覓食行為也與智力有關，例如肉食性的貓大腦比植食性的鹿來得大，因為貓必須要智取獵物[192]。
使用工具可以反映出學習能力與認知能力，海獺會用石頭砸開鮑魚的殼，石頭在覓食行為中佔了極重要的部分，研究顯示有些地區的海獺會花上21%的時間製作石頭[202]。黑猩猩會用樹枝來釣白蟻，此行為可能是透過觀察其他個體學習而來，很可能是動物教導行為的案例[203]。有些動物在面對難題時，會經歷尤里卡效應，使用工具來解決難題[204]。其他不會使用工具的動物，例如狗，也會經歷尤里卡效應[205]。
以前學者認為腦容量可以反應出動物智能。大部分的大腦是用於維持身體機能，所以大腦占體重的比例越高，代表用於處理認知能力的部分越多。哺乳動物的大腦是異速生長，其腦化指數大約是 2/3 － 3/4，腦化指數也可用於推估動物智能[206]。抹香鯨的大腦是世界上最大的，成年雄性的大腦體積可達 8,000 立方公分，重達 7.8 公斤[207]。
自我意識是抽象化思考的象徵。雖然自我意識沒有明確的定義，但普遍認為自我意識是後設認知的前提。鏡子測試是傳統上測試動物是否擁有自我意識的方法[208]。某些哺乳類能通過鏡子測試，如亞洲象[209]、黑猩猩[210]、倭黑猩猩[211]、猩猩屬[212]、18個月大的人類[213]、瓶鼻海豚[a][214]、虎鯨[215] 和偽虎鯨[215]。
真社會性是最為複雜的社會性，真社會性定義包括世代重疊、階級分工、和共同育幼，大部分的真社會性動都是昆蟲，如蜜蜂、螞蟻，和白蟻，哺乳類之中只有兩種囓齒目為真社會性：裸鼴鼠[216]和達馬拉蘭鼴鼠[217]。
亞社會性動物具有類似於真社會性動物的行為，也就是群居、共同育幼，和原始的階級分工，但其行為無法滿足真社會性的定義。人類和狨亞科（狨屬和檉柳猴屬）的合作育幼行為在靈長類中較為特殊[218]。心理學家哈利·哈洛在1958年設計了一場實驗，以恆河猴（亞社會性靈長類）作為材料，發現了幼猴在心智與性能力發展的過程中，社交是不可或缺的[219]。
分裂融合社群是指大小與組成會不斷變化的社群。其中，「母社群」長期穩定存在，包括社群中所有個體。母社群也會分裂出大小、功能各異的「子社群」，這些子社群的規模會隨著環境因素、社會事件不斷變動。舉例來說，一小群雄性在白天時會脫離母社群（分裂），進行狩獵或尋找食物，夜晚時會回到母社群（融合），分享食物或參與社交活動。很多哺乳動物都具有分裂融合社群，如靈長類[220]、象[221]、斑鬣狗[222]、獅[223]，和海豚[224]。
獨居動物有自己的領地，除了繁殖季以外不會和其他個體進行社會行為。獨居可以避免多個個體在同一地盤上相互競爭食物資源[225]。獨來獨往也比較不易被掠食者或獵物發現[226]。
有些動物具有社會階級制度，個體會爭奪地位。有的動物社會（如狼和狐獴）奉行「專制階級制度」，其中有一個體佔上位，其他個體皆為下位[227]。線型階級制度則是族群內的階級形成線型的關係鏈，除了最上位者與最下位者以外，每一個體都有其上位者與下位者。有些物種的線型階級制度包括性別，一性別中地位最低的個體，其地位高過於另一性別中地位最高的個體，例如鬣狗[228]。上位者成功繁殖的機率較高，尤其是群體內雌性比雄性多的物種[229]。非群體內的外來個體有時候會被群體接受，進而獲得繁殖的機會，但在某些物種中，此情況極少發生，如吸血蝠[230]。
有些物種具有嚴格的一夫一妻制，一生只有一個伴侶，就算伴侶死去也不會再找新的，例如狼、歐亞河狸，和水獺[231][232]。除了一夫一妻制以外，還有三種配對組合：（一）一或數雄性上位個體具有繁殖權的一夫多妻制；（二）雌性個體和數名雄性個體交配的一妻多夫制；（三）數個雄性個體與數個雌性個體交配的多夫多妻制。不考量求偶場的情況下，90% 的哺乳類都是一夫多妻制[233]。求偶場是指數名雄性圍繞在雌性旁邊並對其求偶，如港海豹[234]。
胎生和哺乳是所有的高等哺乳類（單孔目除外）都有的繁殖特徵。育幼行為則因物種而異，有些物種築巢，有些物種掘洞，有些物種則會長時間照顧後代。大部分哺乳類是K策略，也就是在後代上投資更多的時間和能量，取而代之的是單次繁殖能產生後代數量較少，而R策略則相反。雄性與雌性都可以從繁殖行為中獲利，然而在大多數的情況下，兩方的獲利是不對等的。有些物種的雌性具有護幼行為，會攻擊其他雌性與幼獸，然而，有些物種會協助親戚育幼。有些物種的雄性也會育幼，如馬島蝟屬，然而這個行為因物種而異，就連同個屬內的物種育幼行為都有可能不同，舉例來說，日本獼猴的雄性會育幼，但是豚尾獼猴的雄性不會[235]。
人類以外的哺乳動物在文化中扮演了各式各樣的角色。哺乳動物是世界上最受歡迎的寵物——全世界飼養的寵物貓、狗、兔、鼠數量成千上萬[236][237][238]。其他哺乳動物，如猛獁象、馬、鹿等，則是人類最古老的藝術主題，拉斯科洞窟壁畫等舊石器時代晚期的岩畫中會見到牠們的身影[239]。許多畫家都以畫哺乳動物出名，像阿爾布雷希特·丟勒（畫過犀牛）、喬治·斯塔布斯（擅畫馬）、埃德英·藍道西爾（擅畫紅鹿）等等[240]。人類會出於獲取食物或體育運動的目的狩獵其他哺乳動物，其中鹿和野豬是最常見的獵物[241][242][243]。像賽馬、賽狗這樣的哺乳動物則用於體育競技，通常與賭博活動有關[244][245]。關於能否將動物作為人類的伴侶帶在身旁，抑或應當保障動物的權利、讓動物獨自生存，人們至今仍未達成共識[246]。哺乳動物也在文學[247][248][249]、電影[250]、神話、信仰[251][252][253]中廣泛現身。
世界上的肉用家畜中，馴化的哺乳動物占了絕大多數。其中包括（2009年）約14億頭牛、10億隻綿羊、10億頭家豬[254][255]、和（1985年）逾7億隻兔子[256]。包括牛和馬匹在內的役用動物都被用作農業工作和運輸，但隨著機械化運輸和農業機械的到來，牠們的數量有所下降。2004年，這些動物為第三世界的小型農場提供了約80%的功率輸出，涉及到世界範圍內約20%的運輸吞吐量（主要集中在農村）。在車輛寸步難行的山區，馱畜仍是貨運的主力軍[257]。哺乳動物的皮還被製成皮革，成為鞋、服裝和室內裝潢的原材料[258]。羊毛也來自哺乳動物，其中包括綿羊、山羊和羊駝，幾個世紀以來一直用來做衣服[259][260]。
哺乳動物作為實驗動物在科學中發揮著重要作用，常常用在遺傳學[261]的基礎生物學研究和在新藥的開發中。新藥必須經過徹底測試，以證明其安全性[262]。每年有百萬哺乳動物，特別是老鼠，被人類用於實驗[263]。科學家會將小鼠的基因人工修改，植入人工DNA片段或破壞一段DNA，這樣可讓部分基因失活。這樣處理過的實驗小鼠被稱為「基因剔除小鼠」，能協助科學家研究功能未知的基因，從而對基因進行定序[264]。還有一小部分實驗哺乳動物是非人類靈長類動物，主要被用來研究與人類的相似度[265][266][267]。
查爾斯·達爾文和賈德·戴蒙等人已經注意到哺乳動物在新石器時代的農業和文明發展中的重要性。人工馴養的哺乳動物導致世界各地的農民大範圍取代了狩獵採集者[b][269]。從狩獵採集到遊牧，再到農業社會，哺乳動物幫助人類跨越了一個又一個社會發展的里程碑。以馴養哺乳動物為基礎的新農業經濟造成了「人類社會的全面重組、全球生物多樣性的變化以及地貌及大氣層的重大改變……等影響深遠的事件」[270]。
兩個遺傳上有差異的個體雜交產生的後代即雜交種，雜交種時常（但不絕對）具有高度雜合性。在人類圈養的動物中有意或無意的雜交活動已持續了幾千年，並帶來經濟利益[271]。物種亞種之間的雜交稱為種內雜交，如孟加拉虎與東北虎。同屬不同物種間的雜交稱為種間雜交，如獅子和老虎。不同屬物種間的雜交稱為屬間雜交，如綿羊和山羊[272]。在雜交帶，同屬或同種動物生活在相同或毗鄰區域，會發生自然雜交。一些雜交種被視為物種，如紅狼（有爭議）[273]。
人工選擇繁殖家養動物正被用於「恢復」近期滅絕的動物，其目標是獲得表型類似於滅絕野生型祖先的種系。外觀是逆向育種的重要目標，德國的原牛逆向育種實驗導致了外觀上較為相似的赫克牛。使用種內雜交進行逆向育種獲得的種系可能在外觀、生態棲位以及部分基因上與野生型十分相似，但野生型的初始基因庫已隨著滅絕永久消失了[274]。
來自家養動物的基因污染、不受控的雜交、基因滲入會使野生族群與家養族群同質化[275]，這將導致生活在特定生態環境中的純種野生族群受到滅絕威脅[276]。一些族群，特別是稀有種系的滅絕，可能發生於新族群的引入、選擇性繁殖動物、或棲息地變化導致分離的族群相互接觸之時[277]。雖說自然演化也伴隨著一定程度的基因流動，受人類影響的雜交會污染稀有純種族群的基因庫，而且基因污染直至滅絕的現象在生物形態學上不總容易觀察。瀕危的河水牛已因家養水牛的基因污染受進一步滅絕威脅[278][279]。
人類活動是動物滅絕的主要原因[280]，導致部分生態環境缺少大型脊椎動物（即空森林現象）[281][282]。在第四紀滅絕事件中，巨型動物群的大量滅絕恰好約與現代人類的出現時間重疊。有假說認為，人類曾大批獵殺真猛獁象等大型哺乳動物，使牠們的數量銳減進而滅絕[283][284]。2019年，IPBES在《全球生物多樣性與生態系服務評估報告》中提到野生哺乳動物的總生物量自人類文明出現至現在已減少了82%[285][286]。
許多物種被認為於不遠的未來即會滅絕[287]，包括犀牛[288]、數個靈長目物種[289]、穿山甲[290]、長頸鹿[291]等。光是人類的狩獵行為就導致了全球數百種哺乳動物面臨滅絕危機[292][293]，肉類食物的需求增加被認為是促成森林砍伐與棲息地破壞的背後主要原因，並因此導致生物多樣性減少，在一些物種豐富的棲息地，例如亞馬遜雨林，許多地區已被人類破壞並逐漸開發轉為生產肉類的農牧用地[294][295][296]。根據2016年世界自然基金會的地球生命力指數，自1970年以來全球野生動物的數量已經減少了58%，主因包括棲息地破壞、過度捕獵及汙染。如果按照目前的趨勢繼續下去，於2020年時將會有67%的野生動物消失[297][298]。另一個對物種生存造成威脅的原因是過度捕獵與盜獵，導致被作為獵物的動物數量減少[299]，尤其是那些棲息於村莊附近的物種[300]，例如西猯[301]。其他捕獵的原因包括獲取牠們身上的資源，例如象牙交易，就直接導致了非洲象數量的減少。除此之外，誤捕與廢棄漁具纏繞也對海洋哺乳動物的生存造成威脅，以鯨豚為例，每年約有65,000至86,000頭個體因此而死亡[302]。
目前的瀕臨滅絕物種正受到全球的關注，主要是透過《生物多樣性公約》（又稱為《里約公約》），由196個國家共同簽屬，致力於推動並落實公約的三大目標，包括保育生物多樣性、永續利用其組成分子，以及公平合理地分享生物多樣性遺傳資源所產生的利益[303]。另一個著名的保育組織為國際自然保護聯盟，其中的會員包括了超過1,400個政府與非政府組織[304]。
近代哺乳動物的滅絕幾乎都是受到人類的影響而滅絕[305][280]，其中國際自然保護聯盟界定「近代滅絕」 是指西元1500年以後才滅絕的動物[306]，從該時算起至2015年，已有約80種哺乳動物滅絕[307]。有些物種，如麋鹿[308]，為野外絕滅，目前僅存有人工飼養的個體。其他物種，如佛羅里達山獅，為生態滅絕，牠們的數量過於稀少，以至於已經無法對當地生態系造成任何影響[309]:318。其他物種則有不少為局部地區滅絕，雖然還未滅絕，但分布地區已大幅萎縮[309]:75–77，例如現今灰鯨就已經於大西洋局部滅絕[310]。
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