Τα θηλαστικά αντιπροσωπεύουν το τελευταίο εξελικτικό στάδιο μιας από τις δύο κύριες ομάδες αμνιωτών (μη αμφίβια τετράποδα), τα συναψίδια. Τα μη θηλαστικά συναψίδια, που συχνά ονομάζονται θεραψίδια (αν και τα θηλαστικά είναι επίσης τεχνικά θεράψια) διακλαδίστηκαν από την άλλη κύρια ομάδα, τα σαυροψίδια (ερπετά), στην περίοδο του ανθρακοφόρου. Το πρώτο γνωστό συναψίδιο ήταν ο Αρχαιοθύρης, ένα μικρό πλάσμα που μοιάζει με σαύρα που έζησε πριν από 320 εκατομμύρια χρόνια. Όπως τα ερπετά, τα συναψίδια εξελίχθηκαν από τα ανθρακοφόρα αμφίβια.
Οι συναψίδες θα εξελίσσονταν στους πελυκόσαυρους, οι οποίοι θα ήταν τα κυρίαρχα χερσαία σπονδυλωτά για περίπου 40 εκατομμύρια χρόνια, μέχρι τα μέσα της Πέρμιας περιόδου, περίπου 275 εκατομμύρια χρόνια πριν. Οι πελυκόσαυροι είναι διάσημοι ως οι πρώτοι μεγάλοι (από 1 μέτρο έως 3 μέτρα ή περισσότερο) επίγειοι αμνιώτες. Είχαν μεγάλα πανιά ουράς, φτιαγμένα από εκτεταμένες σπονδυλικές ακίδες, οι οποίες πιστεύεται ότι χρησιμοποιήθηκαν για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος και για τις οθόνες ζευγαρώματος. Οι πελυκόσαυροι, παρόλο που ήταν συναψίδια, έμοιαζαν επιφανειακά με ερπετά. Αυτή η ομάδα ήταν το πιο άφθονο χερσαίο ζώο της πρώιμης Πέρμιας.
Οι περισσότεροι πελυκόσαυροι εξαφανίστηκαν ή εξελίχθηκαν σε άλλες ομάδες μέχρι το τέλος της Πέρμιας περιόδου. Η μία ομάδα, οι σφηνακοδοντίδες, εξελίχθηκε στην επόμενη κύρια ομάδα συναψιδίων, τις θεραπείες. Τα Therapsids, που κάποτε ονομάζονταν «ερπετά που μοιάζουν με θηλαστικά», μοιάζουν με πρωτοθηλαστικά στο απλό μάτι. Αυτή η ομάδα εξελίχθηκε στην πρώιμη Πέρμια και παρέμεινε για περίπου 150 εκατομμύρια χρόνια, στην πρώιμη Κρητιδική. Αυτό επικαλύπτεται περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια με την Εποχή των Δεινοσαύρων. Πριν την εμφάνιση των δεινοσαύρων, κατά τη διάρκεια της ύστερης Πέρμιας περιόδου, τα θεραψίδια ήταν τα πιο πολυάριθμα και επιτυχημένα επίγεια σπονδυλωτά. Δυστυχώς για την ομάδα, εξαφανίστηκαν σχεδόν εξ ολοκλήρου κατά την εξαφάνιση της Πέρμιας-Τριαδικής περιόδου, πριν από 251 εκατομμύρια χρόνια.
Σε μια σταδιακή διαδικασία που διήρκεσε 70 εκατομμύρια χρόνια, από τη μέση της Περμίας έως τη μέση της Ιουρασικής, μια ομάδα θεραπειών, οι κυνοδόντες, εξελίχθηκε σε αληθινά θηλαστικά. Οι πληροφορίες για τα πρώιμα θηλαστικά της Μεσοζωικής εποχής είναι σπάνιες, καθώς τα περισσότερα από αυτά τα πλάσματα ήταν μικρότερα από τους αρουραίους και ζούσαν σε περιβάλλοντα όπου η απολίθωση ήταν δύσκολη. Είναι γνωστό ότι τα αληθινά θηλαστικά εμφανίστηκαν πριν από 125 εκατομμύρια χρόνια, περίπου 40 εκατομμύρια χρόνια μετά τα «mammaliaformes», θηλαστικά που μοιάζουν με θηλαστικά. Ένα από τα πρώτα θηλαστικά ήταν το Hadrocodium, αν και υπάρχει συζήτηση για το αν αυτό το είδος ήταν αληθινό θηλαστικό. Τα πρώτα μονότρεμα, πλακούντες και μαρσιποφόρα – οι τρεις κύριοι τύποι θηλαστικών – εμφανίστηκαν όλα την ίδια εποχή.
Μετά την εξαφάνιση των δεινοσαύρων στο τέλος της Κρητιδικής περιόδου (πριν από 65 εκατομμύρια χρόνια), τα θηλαστικά διαφοροποιήθηκαν γρήγορα και κατέλαβαν τις κόγχες για μεγάλα και μεσαίου μεγέθους ζώα που άφηναν κενά από εξαφανισμένα είδη. Σήμερα, τα θηλαστικά είναι τα κυρίαρχα χερσαία σπονδυλωτά και τα ερπετά πετούν κάτω από τα πόδια. Φυσικά, το αντίστροφο συνέβαινε σε όλη τη Μεσοζωική εποχή.