Morfologi yang membedakan mamalia dengan kelas vertebrata lainnya antara lain:
1. Memiliki kelenjar susu (mammae) untuk menyusui anaknya.
2. Tubuh ditutupi rambut atau bulu (setidaknya pada salah satu fase hidupnya).
3. Memiliki daun telinga (pinna) yang jelas pada sebagian besar spesies.
4. Gigi heterodont, yaitu gigi berbeda bentuk dan fungsi (gigi seri, taring, geraham depan, dan geraham belakang).
5. Memiliki diafragma, sekat otot yang memisahkan rongga dada dan rongga perut.
6. Rahang bawah terdiri dari satu tulang (dentary), berbeda dengan vertebrata lain yang tersusun dari beberapa tulang.
7. Memiliki tiga tulang pendengaran di telinga tengah (maleus, inkus, dan stapes).
8. Jantung beruang empat ruang yang memisahkan darah kaya oksigen dan darah miskin oksigen secara sempurna.
Ciri yang paling khas dan menjadi pembeda utama mamalia adalah adanya kelenjar susu dan rambut pada tubuhnya.