哺乳動物最早出現在三疊紀晚期。中生代的哺乳動物雖然分化成了許多不同的類群，但體形普遍較小，直到中生代結束時也沒有一種體形超過兔子的哺乳動物出現。早期哺乳動物主要包括摩根錐齒獸、熱河獸、多瘤齒獸和鴨嘴獸等。其中多瘤齒獸是進化得最成功的早期哺乳動物，其生存時間長達1.3億年。
熱河獸
熱河獸生活在白堊紀早期，第一具相對完整的熱河獸骨架化石是1999年在中國遼寧省發現的，它被認為是最接近現生哺乳動物共同祖先的類型。古生物學家通過對熱河獸的化石研究得知，這種動物身上有些部位具有哺乳動物的特征，有些部位則還保留著爬行動物的特征，這也暗示著在哺乳動物的進化過程中，其身體的各個部位是分別進化的。
摩根錐齒獸
摩根錐齒獸是最原始的哺乳動物的代表，其化石首先發現於英國威爾士地區的石灰岩裂隙中。古生物學家根據摩根錐齒獸的化石推測，它的體表覆有毛發，四肢上長有利爪，身體骨骼結構與現生的哺乳動物已經十分相似，但它的頜骨內側有一條溝，其中保留著關節骨的殘餘，類似於爬行動物的頜鉸合，由此可以看到爬行動物向哺乳動物過渡的痕跡。
鴨嘴獸
鴨嘴獸是一種古老而珍稀的哺乳動物。
最早出現在白堊紀中期，身長約為35厘米，和現在的一隻貓差不多大，不過，它是中生代體形最大的哺乳動物之一。鴨嘴獸的生活形態一直沒什麼改變，通常生活在淡水溪流區域，以軟體動物和小魚蝦為食。鴨嘴獸以卵生方式繁殖。
幼體出生之後，就依靠雌性鴨嘴獸腹部的一個小袋裏分泌的乳汁長大，這一點證明了鴨嘴獸屬於哺乳動物。