兽齿类进一步发展，出现了三列齿兽类，它们的身体构造特征更接近真正的哺乳动物，广泛分布在欧洲、非洲、北美和中国。在云南禄丰盆地，人们曾发现过卞齿兽等化石，这些化石都属于三列齿兽类。由于它们既保留了爬行动物的一些特征，又具有哺乳动物的特点，被科学家们称为似哺乳爬行动物，它们与哺乳动物的发展有直接的联系。
当中生代末地壳运动加剧，环境发生重大改变时，恐龙等爬行动物难以适应和生存，而哺乳类则显示了很强的竞争能力。哺乳动物有很好的适应环境的能力，身体恒温，具有乳腺，可对幼仔哺乳，脑发达，能够支配行动，胎生（单孔类除外），有利于延续后代等等。所有这些，都为它们的壮大发展提供了自身的优势。进入新生代后，有胎盘类成为哺乳动物大家族的主流，化石和现生哺乳动物的绝大多数都属于有胎盘类。有胎盘类哺乳动物约有30个目，人们熟知的就有食肉目（如猫科动物）、啮齿目（如各种鼠类）、偶蹄目（如猪、牛、羊等）、奇蹄目（如马、驴等）、灵长目（如猴和猿类等）、翼手目（如蝙蝠等）、长鼻目（如象等）和鲸目（如海豚等）。
我国新生代哺乳动物化石十分丰富。第三纪早期的化石发现较少，主要是古新世-始新世的裂齿目、钝角目和恐角目等。从渐新世起，化石种类逐渐增多，如巨犀、黄河猴、三趾马、板齿象、鬣狗等等，它们是哺乳动物家族中的重要成员，这些种类一般都已随着地史向前发展而自然淘汰。第四纪脊椎动物中的哺乳动物迅速发展，总的门类与第三纪相似，但属、种演化显著、数量疾增。代表性的化石有：三门马、剑齿虎、肿骨鹿、大熊猫、古菱齿象、中国鬣狗等。特别应该提到的是，第四纪早期（约中更新世）古人类化石的出现。
哺乳动物的发展，最终出现了具有改造和征服大自然的人类。人类与一切其它高等动物的本质区别在于能制造工具，并使用它来从事劳动。因此，人类的进化和发展在哺乳动物发展史上书写了光辉的一页，也是生物进化史上的重大事件。人类的发展过程分为早期猿人阶段、晚期猿人阶段、早期智人阶段和晚期智人阶段。最早的猿类四足行走，生活在热带森林，由于环境改变，森林面积缩小，部分猿类迁移到平原生活，开始直立并通过劳动获取食物，以后进一步用后肢行走，在劳动中产生了语言和交流，终于发展成为人类。
怎样发现和鉴别哺乳动物化石呢？哺乳类的骨骼结构比爬行动物更为坚固、紧凑，容易保存完整的骨架。但在化石的分类和鉴定中，牙齿化石对哺乳类更为重要。哺乳动物在幼年期都长有乳齿，在发育和生长过程中萌生的恒齿不随身体的增长而发生变化，同时各种哺乳动物的牙齿也具有不同的特征，因此，只要我们依据牙齿的类型和特征就可以对其进行分类和鉴定了。换句话说，在地层中发现几枚保存完好的哺乳类牙齿化石更为重要，它们能够帮助你很快鉴定出是哪一种哺乳动物。