A legelső ismert emlősök a felső triászban, mintegy 204 millió évvel ezelőtt jelentek meg. Ezeket a korai ősemlősöket azonban csak töredékes csontleletek, főként koponya-, illetve fogmaradványok alapján ismerjük. Többségük apró termetű, valószínűleg éjjel aktív, ragadozó életmódot folytató állat lehetett, noha a földtörténeti középidőből ismertek növényevő emlősfajok is. Bár földrajzi elterjedésük igen széles volt, csak kevés ökológiai fülkét töltöttek be, hiszen ebben az időszakban a hüllők számítottak uralkodó életformának.
Az emlősök gerincesek: testüket belső csontos váz teszi szilárddá. A gerinoszlop csigolyák sorából áll. A gerinchez csontos váll-és medenceöv csatlakozik. Az előbbihez egy pár mellső, az utóbbihoz egy pár hátsó láb csatlakozik.
Az emlősök, ellentétben a halakkal, kétéltűekkel és a hüllőkkel, képesek belső hőmérsékletüket nagyából azonos szinten tartani: az ehhez szükséges hőt a saját testükben végbemenő folyamatok termelik. Az ún. hidegvérű állatok (pl. kétéltűek, hüllők) vére valóban hideg, ha a környezetük is az, de ha hosszabb ideig sütkéreznek a napon, vérük akár melegebb lesz, mint a melegvérű emlősöké. Az a tény, hogy az emlősök képesek testhőmérsékletüket szabályozni, tekintet nélkül környezetük hőfokára, tette lehetővé, hogy benépesísék a Földet. Az emlősökön kívül a madarak is melegvérű állatok.
A két legfőbb sajátság, amely az emlősöket a többi gerincestől megkülönbözteti, a szőrzet és a tej. A szőrzet a bőrrel érintkezve a levegőréteget rögzíti, mintegy fogva tartva. Ez a levegőréteg megakadályozza, hogy a hő könnyedén elillanjon és elősegíti, hogy az emlődök teste meleg maradjon.
Amikor az emlősök utódokat hoznak világra, a nőstény emlőmirigyeiből tejet választ ki és hasán lévő emlőbimbóin át kibocsátja. A tej tökéletes táplálékul szolgál az emlősutód számára, amíg annyira meg nem erősödik, hogy maga szerezze meg táplálékát. Az anyatej teszi lehetővé, hogy egyes emlősök kölyköket szüljenek. Ezek az emlősök egyszerre több kölyköt hozhatnak világra, mint azok, amelyek ivadékainak már születésüktől önállóaknak kell lenniük. A kicsinyek ugyanis hosszú időt töltenek szüleikkel, amíg felnőnek és ez ad alkalmat tapasztalatok szerzésére, tanulásra és egyben nagyobb lehetőséget a fennmaradásra.
Az emlősök koponyájában terjedelmes agyvelő helyezkedik el. Az agyvelő féltekéi (a tudat és az értelmi képességek forrása) igen nagyok.
Az alsó állkapocs egyetlen csontból áll és igen erőteljes. Az emlősök fogai általában különböző formájúak, alakjuk meg nagysáuk szorosan összefügg az adott faj táplálkozásmódjával. Az orrjáratokat csontlemez - másodlagos szájpadlás - vélasztja el a szájüregtől, lehetővé téve, hogy az emlős akkor is lélegzetet vegyen, amikor tele van a szája. Így kellő időt fordíthat az élelem megrágására, mielőtt lenyelné. A legtöbb gerinces kénytelen egészben lenyelni táplálékát, mert különben nem kapna levegőt.
Az emlősök testének belsejét a mellkas kezdeténél izomlemez - rekeszizom - osztja ketté. Ennek mozgatása jelentősen segíti az állat légzését. A rekeszizom összehúzódása, a bordák mozgásával együtt, levegőt présel a tüdőbe. Az ellentétes folyamat pedig kiszorítja a levegőt a tüdőlebenyekből.
Az emlősöknek, szaporodásuk módja alapján, három osztályát különböztetjük meg: erszényes emlősök, kloakás emlősök és méhlepényes emlősök. Az erszényesek ivadékai anyjuk hasi zsákjában, erszényében fejlődnek. Az utód rendkívül fejletlen állapotban születik meg, a méhből anyjuk szőrzetén felkapaszkodnak, majd bemásznak az erszénybe és hetekig, hónapokig ott maradnak. Amikor már képesek az önálló helyváltoztatásra, akkor is vissza-visszatérnek a biztonságot és meleget jelentő erszénybe. Az erszény belsejében találhatók az anya emlőmirigyei. Az erszényes emlősök képesek egyszerre különböző korú utódokat nevelni, például az egyik már majdnem teljesen önálló, a másik még az erszényben szopik, míg a harmadik felfüggesztett megtermékenyített állapotban van. Az erszényesek közé tartoznak a kenguruk, a kolala és az oposszumok. A kloakás emlősök kezdetleges tojásrakó állatok. Csupán 3 fajuk létezik: a kacsacsőrű emlős és a hangyászsün 2 faja. Kloakások csak Ausztráliában fordulnak elő. A hüllőkéhez igen hasonló tojásaikat bőrszerű hártya borítja. A kloakásoknak nincsenek emlőbibóik. Apró, kevéssé fejlett ivadékok kelnek ki belőlük. Az újszülöttek az anyjuk hasán bundába kapaszkodnak és a tejmirigyek nyílásain át a kiszivárgó tejet lenyalják a bőrről. A méhlepényesek az emlősök legnagyobb és legfejlettebb csoportja. A magzat az anyaméhben, a méhlepényhez kapcsolódva fejlődik. Ez a különleges szerv látja el az anya véréből származó táplálékkal és oxigénnel a magzatot, majd szállítja el a bomlástermékeket. A táplálkozásnak ez a módja lehetővé teszi, hogy a magzat a fejlődés előrehaladottabb szakaszában jöjjön világra. A méhlepényes emlősök nőstényei hasukon lévő emlőbimbóiból választák ki a tejet.
Az emlősöknek több mint 4000 különböző faja, körülbelül 1000 nemzetsége és 135 családja van. Csoportosításuk: erszényesek (266 faj), kloakások (3 faj), méhlepényesek (3750 faj, egynegyedük denevér). További felosztásuk testti felépítésük, elsősorban csontjaik és fogaik száma, alakja, és elrendeződése alapján történik. Minden egyes emlős teste alkalmazkodott sajátos életmódjához. A gepárdoknak pl. hosszú a lábuk és hajlékony a gerincük, a fókák uszonyok segítségével úsznak, a denevéreknek szárnyuk van stb. Az emlősök fogazata és állkapcsa elárulja, miképpen táplálkoznak. Az oroszlán fogai rendkívül élesek, vagyis alkalmasak arra, hogy elejthesse prédáját, szétdarabolja annak húsát és akár a csontot is összeroppantsa. A juhok foga nagy és lapos, hogy megőrölhessék a táplálékot. A sziláscetek óriási, lemez alakú sziláikkal szűrik ki a tengervízből apró planktonikus táplálékukat.
Az ember környezet-átalakító tevékenysége az emlősök elterjedését is megváltoztatta. Egyes emlősök(tigris, jávai orrszarvú) elterjedési területe a korábbi töredékére csökkent, mások – az ember szándékos vagy önkéntelen segítségével – eredeti elterjedési területükön kívül új vidékeken is megjelentek (például vándorpatkány, elvadult kutyák, vízibivaly, vörös róka, házimacska, mosómedve, nyestkutya, dámszarvas, gímszarvas, muflon, vaddisznó).