تتطور الثدييات مع مرور الوقت من خلال عملية تطورية تعرف بالتطور الطبيعي. يعتقد العلماء أن الثدييات قد نشأت قبل حوالي 200 مليون سنة من سلفها الزواحف الثدييات، ومنذ ذلك الحين تطورت وتعددت الأنواع وتكيفت مع مجموعة واسعة من البيئات المختلفة.
تشمل التطورات الرئيسية للثدييات تطوير الأطراف الأمامية لتصبح أرجلًا وأيديًا قادرة على الحركة والإمساك بالطعام والأدوات. كما تم تطوير الجهاز الهضمي لمعالجة الطعام المختلف والمتطلبات الغذائية المتغيرة للثدييات.
بالإضافة إلى ذلك، تطورت أجهزة حسية متعددة للثدييات لتساعدها في التكيف مع البيئة. على سبيل المثال، تطورت الأذن لتمكين الثدييات من الاستماع واستشعار الصوت، وتطورت العيون للرؤية وتحديد الأشكال والألوان.
هناك أيضًا تطورات في هياكل الجسم والأجهزة التناسلية والسلوك للثدييات على مر العصور. وجود الثدييات في مجموعات اجتماعية وتعاونها في الاهتمام بالصغار والعناية بالأعضاء الضعيفة أو المريضة يعتبر تطورًا اجتماعيًا مهمًا لهذه الفصيلة.
يعتمد التطور على التأثيرات البيئية والتغيرات في الموروث الجيني، ويحدث عن طريق الانتخاب الطبيعي حيث يتم تفضيل الصفات المفيدة في بيئة معينة.