Τα θηλαστικά κυμαίνονται σε μέγεθος από την απέραντη γαλάζια φάλαινα έως τα μικροσκοπικά τρωκτικά. Ενα από έξι βασικές ομάδες ζώων, τα θηλαστικά ζουν στη θάλασσα, στις τροπικές περιοχές, στην έρημο, ακόμη και στην Ανταρκτική. Διαφορετικά, καθώς είναι μεταξύ τους, ωστόσο, τα θηλαστικά έχουν πολλά κοινά φυσικά και συμπεριφορικά χαρακτηριστικά.
Είναι δύσκολο να επιτευχθούν οριστικοί αριθμοί, καθώς ορισμένα θηλαστικά βρίσκονται στα πρόθυρα της εξαφάνισης, ενώ άλλα παραμένουν ανακαλύφθηκαν - αλλά επί του παρόντος υπάρχουν περίπου 5.500 είδη ταυτοποιημένων θηλαστικών, ομαδοποιημένα σε περίπου 1.200 γένη, 200 οικογένειες και 25 παραγγελίες. Αυτοί οι αριθμοί μπορεί να φαίνονται μεγάλοι, αλλά στην πραγματικότητα είναι μικροί σε σύγκριση με τα περίπου 10.000 είδη πουλιά, 30.000 είδη ψάρικαι πέντε εκατομμύρια είδη εντόμων ζουν σήμερα.
Όλα τα θηλαστικά διαθέτουν μαστικούς αδένες, οι οποίοι παράγουν το γάλα με το οποίο οι μητέρες συντηρούν τα νεογνά τους. Ωστόσο, δεν είναι όλα τα θηλαστικά εξοπλισμένα με θηλές. Ο πλατύτυπος και το echidna είναι μονομερή που θρέφουν τους νέους τους μέσω μαστών που μπαίνουν αργά στο γάλα. Τα μονομερή είναι επίσης τα μόνα θηλαστικά που γεννούν αυγά. όλα τα άλλα θηλαστικά γεννούν ζωντανά νεαρά και τα θηλυκά είναι εξοπλισμένα με πλακούντες.
Όλα τα θηλαστικά έχουν μαλλιά, τα οποία εξελίχθηκαν κατά τη διάρκεια του Τριαδική περίοδος ως τρόπος διατήρησης της θερμότητας του σώματος, αλλά ορισμένα είδη είναι πιο τριχωτά από άλλα. Από τεχνική άποψη, όλα τα θηλαστικά έχουν μαλλιά σε κάποιο στάδιο των κύκλων ζωής τους. Για παράδειγμα, τα έμβρυα φαλαινών και φλοιού έχουν μαλλιά μόνο για σύντομο χρονικό διάστημα, ενώ κυοφορούν στη μήτρα. Ο τίτλος του Hairiest Mammal στον κόσμο είναι θέμα συζήτησης: ορισμένοι λένε για το Musk Ox, ενώ άλλοι επιμένουν ότι τα θαλάσσια λιοντάρια συσκευάζουν περισσότερα θυλάκια ανά τετραγωνική ίντσα δέρματος.
Πριν από περίπου 230 εκατομμύρια χρόνια, κατά τα τέλη της τριασικής περιόδου, ένας πληθυσμός θεραπευτικά ("ερπετά που μοιάζουν με θηλαστικά") χωρίζονται στο τα πρώτα αληθινά θηλαστικά (ένας καλός υποψήφιος για αυτή την τιμή είναι ο Megazostrodon). Κατά ειρωνικό τρόπο, τα πρώτα θηλαστικά εξελίχθηκαν σχεδόν την ίδια στιγμή με το πρώτοι δεινόσαυροι; Για τα επόμενα 165 εκατομμύρια χρόνια, τα θηλαστικά εξορίστηκαν στην περιφέρεια της εξέλιξης, ζώντας σε δέντρα ή υπόγεια υπόγεια, έως ότου τελικά η εξαφάνιση των δεινοσαύρων τους επέτρεψε να πάρει το κέντρο στάδιο.
Όλα τα θηλαστικά μοιράζονται κάποιες βασικές ανατομικές ιδιοτροπίες, που κυμαίνονται από το φαινομενικά μικρό (τα τρία μικροσκοπικά οστά στο εσωτερικό αυτί που μεταφέρουν ήχο από το τύμπανο) έως το προφανώς όχι τόσο μικρό. Ίσως το πιο σημαντικό είναι η νεοφλοιώδης περιοχή του εγκεφάλου, η οποία αντιπροσωπεύει τη σχετική νοημοσύνη των θηλαστικών σε σύγκριση με άλλους τύπους ζώων και τις καρδιές των τεσσάρων θαλάμων θηλαστικών, τα οποία αντλούν αποτελεσματικά αίμα μέσω αυτών σώματα.
Αν και η ακριβής ταξινόμηση των θηλαστικών εξακολουθεί να αποτελεί αντικείμενο διαφωνίας, είναι προφανές ότι μαρσούπια (θηλαστικά που επωάζουν τα νεαρά τους σε σακούλες) διαφέρουν από τα πλακούντα (θηλαστικά που επωάζουν τα νεαρά τους εντελώς στη μήτρα). Ένας τρόπος για να ληφθεί υπόψη αυτή η διάσπαση είναι να χωριστούν τα θηλαστικά σε δύο εξελικτικές ομάδες: οι ευθέριοι ("αληθινά θηρία") που περιλαμβάνουν όλα τα θηλαστικά του πλακούντα και τους Metatherians ("πάνω από τα θηρία") που αποκλίνουν από τους Ευθέριους κάποια στιγμή κατά τη διάρκεια της Μεσοζωική εποχή και περιλαμβάνει όλα τα ζωντανού μαρσούπια.
Ο λόγος για τον οποίο όλα τα θηλαστικά έχουν μαλλιά είναι ότι έχουν όλα τα θηλαστικά ενδοθερμικοί ή θερμόαιμοι μεταβολισμοί. Τα ενδοθερμικά ζώα παράγουν τη δική τους θερμότητα στο σώμα από εσωτερικές φυσιολογικές διαδικασίες, σε αντίθεση με ψυχρόαιμα (εξωθερμικά) ζώα, τα οποία θερμαίνονται ή κρυώνουν ανάλογα με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος ζουν μέσα. Τα μαλλιά εξυπηρετούν την ίδια λειτουργία στα θερμόαιμα ζώα με τα παλτά των φτερών στα θερμόαιμα πουλιά: βοηθά στη μόνωση του δέρματος και στη διατήρηση της ζωτικής θερμότητας από το να διαφύγει.
Χάρη εν μέρει στους μεγαλύτερους εγκεφάλους τους, τα θηλαστικά τείνουν να είναι πιο κοινωνικά προχωρημένα από άλλα είδη ζώων. Παραδείγματα κοινωνικής συμπεριφοράς περιλαμβάνουν τη συμπεριφορά αγελάδων, την κυνηγετική ικανότητα των πακέτων λύκων και τη δομή κυριαρχίας των κοινοτήτων πιθήκων. Ωστόσο, εσείς αυτή είναι μια διαφορά βαθμού και όχι είδους: τα μυρμήγκια και οι τερμίτες εμφανίζουν επίσης κοινωνική συμπεριφορά (η οποία, Ωστόσο, φαίνεται να είναι εντελώς ενσύρματο και ενστικτώδες), και ακόμη και μερικοί δεινόσαυροι περιπλανήθηκαν στις πεδιάδες της Μεσοζωικής αγέλες.
Μια σημαντική διαφορά μεταξύ θηλαστικών και άλλων μεγάλες οικογένειες σπονδυλωτών όπως τα αμφίβια, τα ερπετά και τα ψάρια είναι ότι τα νεογέννητα χρειάζονται τουλάχιστον κάποια γονική μέριμνα για να ευδοκιμήσουν. Ωστόσο, ορισμένα μωρά θηλαστικών είναι πιο αβοήθητα από άλλα: ένα ανθρώπινο νεογέννητο θα πεθάνει χωρίς στενό γονέα φροντίδα, ενώ πολλά ζώα που τρώνε φυτά (όπως άλογα και καμηλοπάρδαλες) είναι σε θέση να περπατούν και να αναζητούν τροφή αμέσως μετά γέννηση.
Ένα από τα πιο εκπληκτικά πράγματα για τα θηλαστικά είναι οι διαφορετικές εξελικτικές θέσεις που κατάφεραν να εξαπλωθούν τα τελευταία 50 εκατομμύρια χρόνια. Υπάρχουν θηλαστικά κολύμβησης (φάλαινες και δελφίνια), ιπτάμενα θηλαστικά (νυχτερίδες), θηλαστικά αναρρίχησης δέντρων (πίθηκοι και σκίουροι), θηλαστικά θηλαστικά (γοπχερ και κουνέλια) και αμέτρητες άλλες ποικιλίες. Ως τάξη, στην πραγματικότητα, τα θηλαστικά έχουν κατακτήσει περισσότερους οικοτόπους από οποιαδήποτε άλλη οικογένεια σπονδυλωτών. Αντιθέτως, κατά τη διάρκεια των 165 εκατομμυρίων ετών στη γη, οι δεινόσαυροι ποτέ δεν έγιναν πλήρως υδρόβιοι ούτε έμαθαν πώς να πετούν.