Les mammifères représentent le dernier stade évolutif de l’un des deux principaux groupes d’amniotes (tétrapodes non amphibiens), les synapsides. Les synapsides non mammifères, souvent appelés thérapsides (bien que les mammifères soient aussi techniquement des thérapsides) se sont ramifiés de l’autre groupe principal, les sauropsides (reptiles), à la période carbonifère. La première synapside connue était Archaeothyris, une petite créature ressemblant à un lézard qui a vécu il y a 320 millions d’années. Comme les reptiles, les synapsides ont évolué à partir des amphibiens du Carbonifère.
Les synapsides se développeraient ensuite en pélycosaures, qui seraient les vertébrés terrestres dominants pendant environ 40 millions d’années, jusqu’au milieu de la période permienne, il y a environ 275 millions d’années. Les pélycosaures sont connus pour être les premiers amniotes terrestres de grande taille (1 mètre jusqu’à 3 mètres ou plus). Ils avaient de grandes voiles de queue, faites de pointes vertébrales étendues, qui auraient été utilisées pour réguler la température corporelle et pour les parades nuptiales. Les pélycosaures, bien qu’étant des synapsides, ressemblaient superficiellement à des reptiles. Ce groupe était l’animal terrestre le plus abondant du début du Permien.
La plupart des pélycosaures ont disparu ou ont évolué vers d’autres groupes à la fin du Permien. Un groupe, les sphénacodontidés, a évolué pour devenir le prochain groupe synapside majeur, les thérapsides. Les thérapsides, autrefois appelés reptiles ressemblant à des mammifères, ressemblent à des proto-mammifères à l’œil nu. Ce groupe a évolué au début du Permien et s’est maintenu pendant environ 150 millions d’années, jusqu’au début du Crétacé. Cela chevauche environ 100 millions d’années avec l’âge des dinosaures. Avant l’émergence des dinosaures, à la fin du Permien, les thérapsides étaient les vertébrés terrestres les plus nombreux et les plus performants. Malheureusement pour le groupe, ils ont été presque entièrement anéantis lors de l’extinction du Permien-Trias, il y a 251 millions d’années.
Au cours d’un processus graduel qui a duré 70 millions d’années, du Permien moyen au Jurassique moyen, un groupe de thérapsides, les cynodontes, a évolué pour devenir de véritables mammifères. Les informations sur les premiers mammifères de l’ère mésozoïque sont rares, car la plupart de ces créatures étaient plus petites que les rats et vivaient dans des contextes où la fossilisation était difficile. On sait que les vrais mammifères ont émergé il y a 125 millions d’années, environ 40 millions d’années après les mammifères, des thérapsides ressemblant à des mammifères. L’un des premiers mammifères était Hadrocodium, bien qu’il y ait un débat pour savoir si cette espèce était un vrai mammifère. Les premiers monotrèmes, placentaires et marsupiaux – les trois principaux types de mammifères – sont tous apparus à la même époque.
Après l’extinction des dinosaures à la fin du Crétacé (il y a 65 millions d’années), les mammifères se sont rapidement diversifiés et ont investi les niches des animaux de grande et moyenne taille laissées vacantes par les espèces disparues. Aujourd’hui, les mammifères sont les vertébrés terrestres dominants et les reptiles se précipitent sous les pieds. Bien sûr, l’inverse a été le cas tout au long de l’ère mésozoïque.