在1.7亿年前的中生代侏罗纪，生存着古兽类，包括三齿兽目（Triconoconta）、对齿兽目（Symmetrodonta）、古兽目（Pantotheria）和多结节齿目（Multituberculata）。
古兽目类是中生代哺乳类中特别重要的一类，可能是现代有袋类和真兽类的祖先。在恐龙控制地球超过1亿年之久的漫长年代中它们也一直存在着，可能以食虫为生，夜行性，不占重要地位。但它们的进化进程一直没有停息，骨骼、牙齿、生殖、神经系统等方面逐渐向完善的方向进化。这些古兽类一直生存到白垩纪，其中的多结节齿兽类一直保留到新生代第三纪初期。在中生代白垩纪出现了有袋类和早期有胎盘类。在6500万年前的白垩纪末期，恐龙逐渐绝灭，哺乳类却在地球上生存下来，并逐渐适应和占据了恐龙腾空出来的多种多样的生态位，进入新生代并一直到现代，被称为哺乳动物时代。这一大的辐射适应肯定是由于哺乳类的恒温、行动敏捷、聪明、适应性强、直接生产幼仔并对后代有完善的保护等进步特征密不可分。在新生代有袋类和有胎盘类得到空前发展。最早的有胎盘类是一些小型古食虫类，从这一主干向各种生态环境辐射发展，产生出不同的形态、不同习性的形形色色的物种，包括单孔类、有袋类和真兽类。最近在澳大利亚发现一个具有只在兽类中存在的牙齿的单孔类化石，指出单孔类起源于早期兽类而不是一个分离的非兽类群起源。