สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมส่วนใหญ่จัดอยู่ในชั้นย่อยเธอเรีย (Subclass Theria) หรือสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่ออกลูกเป็นตัว ซึ่งเป็นการสืบเชื้อสายมาจากบรรพบุรุษของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมในยุคจูแรสซิก เมื่อประมาณ 150 ล้านปีมาแล้ว ซึ่งแตกต่างจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมอีกกลุ่มคือชั้นย่อยโพรโทเธอเรีย 
(New Guinea) ที่เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่วางไข่ มีรูปร่างและลักษณะแตกต่างจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมชนิดอื่น ๆ ที่ยังคงลักษณะของสัตว์เลื้อยคลานเกือบทั้งหมด สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมในชั้นย่อยโพรโทเธอเรีย มีความเป็นไปได้สูงในการที่จะสืบเชื้อสายมาจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมชนิดอื่น ๆ ซึ่งการแบ่งแยกเธอเรียและโพรโทเธอเรียออกจากกัน 
สำหรับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมขนาดเล็ก เช่นเลมมิง หนูท้องนา จะมีการเผชิญหน้ากับสภาพภูมิอากาศที่หนาวจัดด้วยวิธีการที่แตกต่างกัน สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมขนาดเล็กจะไม่มีฉนวนป้องกันร่างกายที่ดีเหมือนกันสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมขนาดใหญ่ ทำให้ต้องมีการฉนวนโดยการขุดดินเพื่อทำเป็นโพรงทางเดินใต้ดิน ซึ่งจะมีอุณหภูมิต่ำประมาณ -5 องศาเซลเซียส แต่อุณหภูมิก็ยังสูงกว่าอุณภูมิภายนอก 
อุณหภูมิร่างกายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมจะคงที่ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อม (homeothermic) ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของสัตว์เลือดอุ่น (warm-blooded) สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมมีเพศที่แบ่งแยกชัดเจน 
