哺乳動物的脊柱由一係列椎骨組成，可分為頸椎、胸椎、腰椎、薦椎和尾椎五部分。頸椎骨通常為7枚，隻有少數種類為6枚（如海牛）或8～10枚（如三趾樹獺），絕大多數的哺乳類不論頸的長短（如長頸鹿和刺蝟）都是7枚頸椎。第1枚頸椎稱寰椎，第2枚頸椎稱樞椎，寰椎呈環狀，前麵形成一對關節麵與枕踝相關節，樞椎椎體前端形成齒突伸入寰椎的椎孔，使頭部能靈活轉向。不過狼這一動物卻除外。胸椎常為13枚左右，各胸椎與肋骨相連接，並與肋骨和胸骨共同構成胸廓；胸骨分節，有飛翔能力的蝙蝠和營地下掘穴生活的鼴鼠等哺乳動物，有與鳥類相類似的龍骨突起。
④神經係統。哺乳動物的神經係統相對來說是比較複雜的了，可能是所有特征中最複雜的。哺乳動物和其他動物最大的區別在於它的神經係統。哺乳動物的神經係統高度發達，主要表現在大腦和小腦體積增大，發展了新腦皮，腦表麵形成了複雜皺褶（溝和回），大大增加了新腦皮的表麵積，這也意味著大大增加了聰明度。
新腦皮是由側腦室外壁的神經物質生長而成，並包圍著初生腦皮層（原腦皮），原腦皮的殘餘稱為海馬，在側腦室內，仍為嗅覺中樞。大腦皮層由發達的新腦皮層構成，它接受來自全身的各種感覺器傳來的衝動，通過分析綜合，並根據已建立的神經聯係而作出呼應。左右大腦半球通過許多神經纖維互相聯絡。神經纖維所構成的通路稱胼胝體，是哺乳動物（有胎盤類）特有的結構。
間腦被大腦半球所覆蓋，其上有鬆果體，為內分泌體，哺乳類的鬆果體趨於縮小。在間腦腹麵發出的視神經，形成交叉稱視神經交叉，其後以一柄與腦下垂體相聯。間腦腔又稱為第三腦室，十分發達。間腦壁內的神經結構主要有背方的丘腦又稱為視丘與腹麵的丘腦下部。丘腦是低級中樞與大腦皮層分析器之間的中間站，來自全身的感覺衝動均集中於此處，經間腦灰質換一神經原再入大腦皮層。腹麵的丘腦下部是植物神經活動中樞，與內髒活動協調關係很“鐵”，並為體溫調節中樞。
哺乳動物的中腦相對來說是個薄弱環節，是不發達的，體積甚小，中腦腔狹窄呈一管，稱中腦導水管，與第三、第四腦室交通。中腦背方具有四疊體，前麵一對為視覺反射中樞，後麵一對為聽覺反射中樞。中腦底部由下行的運動神經纖維束構成較顯著的腦足。
哺乳動物後腦的背部為極為發達的小腦，其主要機能是協調軀體肌肉運動和維持軀體正常姿勢的平衡中樞。可以說小腦越發達，運動技能就越發達。哺乳類的小腦在結構上所具有的“個性化”特征是具有小腦皮質，其灰質覆蓋在表麵，形成小腦皮層，白質呈樹枝狀深入灰質。此外，在兩小腦半球之間以橫行的神經纖維束構成哺乳類特有的腦橋，腦橋是小腦與大腦之間聯絡通路的中間站。
哺乳動物的延腦與脊髓相連接，兩者結構相似。延腦除了構成脊髓與高級中樞聯絡的通路外，在白質內有上行的和下行的傳導徑路。灰質分散為一些神經核，神經核的神經纖維與相應的感覺和運動器官相聯係。延腦還是重要的內髒活動中樞，可調節呼吸、消化、循環、汗腺分泌以及各種防禦反射。正因如此，有時猛烈擊打人的後腦勺，即延腦部位時可導致人暫時昏厥。延腦的背麵有第四腦室。
⑤感官係統。哺乳動物靠高度發達的感官來發現食物，躲避敵害，以及尋找合適的棲息環境，同時也是種類間通信聯係和一係列行為反應密不可分的器官。當然，並非所有的類群感官都達到高度發展的水平，有些種類在許多方麵處於退化狀態，而在某一方麵卻高度特化。如哺乳類中視力退化的某些種類，快速運動時，還發展了特殊的高、低頻聲波脈衝係統，借聽覺和聲波回音來定位。蝙蝠即以高頻聲波回聲定位，海豚以高頻及低頻兩種水內聲波回聲定位。這在仿生學研究中有重要意義。雷達即以此發明。哺乳動物的感官高度發達，主要體現在它們的視覺、聽覺和嗅覺構造的完善。
嗅覺。哺乳動物多數具有擴大的鼻腔和發達的鼻甲骨，嗅覺靈敏。如食肉類、偶蹄類和齧齒類嗅覺即相當發達。但鯨類、靈長類腦的嗅覺部分不發達，故其嗅覺不靈敏，海豚和鼠海豚則缺乏嗅覺器官。
視覺。哺乳動物的視覺器官與大多數羊膜動物相似。多數哺乳類的眼球發育良好。但一些營地下生活的食蟲類、齧齒類和鯨類眼球則極度退化，甚至有些種類隻保持區別亮與暗的能力。總的來說，哺乳類對光波的感覺靈敏，但對色覺的感受力差，這與大多數的獸類均為夜間活動有關。靈長目的辨色能力及對物體大小和距離的判斷均較準確。
⑥呼吸係統。哺乳動物的一大特征，就是呼吸係統十分發達，比爬行動物發達多了，特別在呼吸效率方麵有了顯著提高。空氣經外鼻孔、鼻腔、喉、氣管四層“關卡”而入肺，它們的鼻腔分上下兩部分，即上端的嗅覺部分和下端的通氣部分。鼻腔的上端有發達的鼻甲，其黏膜內有嗅細胞。此外，還有伸入到頭骨骨腔內的鼻旁竇，增強了鼻腔對空氣的溫暖、濕潤和過濾作用。同時，它也是發聲的共鳴器，它的共鳴即鼻腔共鳴。
另外，哺乳動物喉的構造完善。喉為氣管前端的膨大部分，既是呼吸的通道，也是發音器官。喉由軟骨、韌帶、肌肉及黏膜構成。喉的入口稱喉口，喉壁腹前緣的會厴軟骨在吞咽時可遮蓋喉口，食物和水經會厴上麵進入食道，可防止食物和水“走旁門左道”。平時喉口開啟，是空氣進出氣管的門戶。由甲狀軟骨和環狀軟骨構成的喉腔，在中部的側壁上由黏膜褶所形成的聲帶為發聲器官，開始出現於無尾兩棲類，但以哺乳類最發達。哺乳動物的氣管位於食道的腹麵，進入胸腔後分叉成一對支氣管通入肺。氣管與支氣管在結構上主要的特點是：管壁由許多背麵不相銜接的軟骨環支持，從而保證了空氣的暢通。氣管黏膜具纖毛上皮和黏液腺，可過濾空氣，黏液腺分泌的黏液能黏住吸入的空氣中的塵粒，在纖毛的推動下塵粒移至喉口，經鼻或口排出。
我們這裏特別要提到的就是哺乳動物的肺和胸腔。哺乳動物肺的結構最複雜，是由複雜的“支氣管樹”所構成，支氣管分支的盲端即為肺泡。肺泡數量十分巨大，因而大大增加了呼吸表麵積，如羊的肺泡總麵積可達50～90平方米，馬的肺泡達500平方米，人的肺泡為70平方米，相當於體表麵積的40倍，明顯地提高了氣體交換的效果。肺泡之間分布有彈性纖維，在呼吸的配合下可使肺被動地回縮。胸腔是容納肺的體腔，為哺乳動物所特有，當呼吸活動進行時，肺的彈性口位，使胸腔呈負壓狀態，從而使胸膜的壁層和髒層緊貼在一起。此外，哺乳動物所特有的將胸腔與腹腔分開的橫隔膜，在運動時可改變胸髒容積，再加上肋骨的升降來擴大或縮小胸腔的容積，使哺乳動物的肺被動地擴張和回縮，以完成呼氣和吸氣。
⑦循環係統。哺乳動物的循環係統也是它的一大特色之一，包括血液、心髒、血管及淋巴係統。其顯著特征是在維持快速循環方麵十分突出，以保證有足夠的氧氣和養料來維持體溫的恒定。