La maggior parte di essi ha due paia di arti, solitamente zampe; in alcuni casi, tuttavia, un paio di arti è ridotto a residui vestigiali, come nei cetacei, oppure è andato completamente perduto, come nel dugongo e nel lamantino. Tutti i mammiferi, con la sola eccezione dei monotremi, che sono ovipari, danno alla luce piccoli vivi che mettono in atto i primi stadi di sviluppo all’interno del corpo della madre. Alcuni mammiferi nascono relativamente poco sviluppati, mentre altri vengono alla luce già in grado di camminare e perfino di correre, completamente coperti di pelo e con occhi e orecchie già funzionali. La gamma delle dimensioni dei mammiferi è straordinariamente ampia; il più grande, la balenottera azzurra, spesso supera i 30 m di lunghezza, mentre le specie più piccole (topiragno, topi e pipistrelli) sono lunghe meno di 5 cm, coda esclusa.

Lo strato esterno del corpo dei mammiferi consiste nella cute e nei suoi annessi. La cute serve da protezione contro gli insulti meccanici e l’invasione da parte dei microrganismi e, inoltre, impedisce una perdita eccessiva di calore e umidità. In molti mammiferi il colore della cute o della pelliccia è tale da confondersi con l’ambiente naturale, cosa che favorisce la mimetizzazione dell’animale. La cute può funzionare anche come organo di senso tattile e organo escretore (attraverso le secrezioni delle ghiandole sudoripare. Diverse sono le ghiandole specializzate presenti nella cute dei mammiferi. Le ghiandole mammarie, presenti in forma completamente sviluppata in tutti i mammiferi adulti di sesso femminile, secernono il latte per nutrire la prole. Le ghiandole sudoripare, solitamente localizzate alla base dei peli, sono presenti in quasi tutti i mammiferi terrestri; mancano tuttavia in certi roditori, nei bradipi del genere Choloepus e nei mammiferi acquatici come le balene, i delfini, i dugonghi e i lamantini. Molti mammiferi hanno poche ghiandole sudoripare funzionali; nei cani e nei gatti, ad esempio, sono attive solo quelle localizzate sulla pianta del piede. Le ghiandole di meibomio, localizzate sul bordo della palpebra, secernono un film oleoso che copre e protegge il globo oculare, impedendo l’evaporazione delle lacrime e riducendo l’attrito con la palpebra. La secrezione delle ghiandole del cerume impedisce la penetrazione di particelle di polvere e di piccoli insetti nell’orecchio interno. Molti mammiferi hanno ghiandole odorifere le cui secrezioni allontanano i nemici e attraggono gli individui dell’altro sesso.

Nelle balene le aperture esterne dell’orecchio sono semplicemente dei piccoli fori. Nei mammiferi la dentatura è eterodonte, vale a dire costituita da denti diversi (incisivi, canini, premolari, molari), specializzati a svolgere funzioni differenti (addentare, masticare, triturare). Gli organi interni dei mammiferi sono essenzialmente simili in tutta la classe. Le caratteristiche interne che distinguono i mammiferi dai vertebrati inferiori sono la presenza di 2-4 lobi ottici nel cervello, di un diaframma muscolare che separa cuore e polmoni dalla cavità addominale, di un singolo arco aortico localizzato a sinistra e di un cuore suddiviso in 4 camere (2 atri e 2 ventricoli); è tipica, inoltre, l’assenza di nuclei nei globuli rossi del sangue dopo la nascita. Tutti i mammiferi, con la sola eccezione dei dugonghi, dei lamantini e di alcuni bradipi e formichieri, hanno 7 vertebre cervicali; questa caratteristica è condivisa dalla giraffa e dalla balena, come dal topo e da altri piccoli mammiferi. Altri aspetti esclusivi dello scheletro dei mammiferi sono l’articolazione fra le ossa della tibia e quelle del tarso, la catena degli ossicini dell’orecchio e l’articolazione della mandibola all’osso squamoso del cranio.

Tutti i mammiferi si riproducono sessualmente, secondo due modalità differenti: nei mammiferi ovipari gli organi escretori e genitali si aprono in un orifizio comune, chiamato cloaca, e il passaggio dei gameti dal maschio alla femmina avviene per contatto delle cloache; in tutti gli altri mammiferi, invece, le cellule sessuali maschili sono introdotte nel corpo della femmina mediante copulazione.