哺乳动物虽然在六千多万年前恐龙灭绝以后才统治大地，但哺乳 动物的起源要追溯到远比恐龙更古老的年代，在最早的爬行动物出现 后不久，向着哺乳动物方向进化的一支就已经出现，这一支就是似哺乳爬行动物似哺乳爬行动物在恐龙统治大地之前曾经 繁盛一时。
第一批爬行动物出现在大约三亿年前古生代的石炭纪。石炭纪的 这第一批爬行动物已经表现出了三个不同的进化方向。 Hylonomus 是 爬行动物中最原始的无孔类的代表。无孔类包括原始的杯龙类、中龙 类和后来的龟鳖类（龟鳖类的起源现在还不很清楚）。Petrolacosaurus 可能是最原始的双孔类。 双孔类是爬行动物的主干，包括恐龙、翼龙 和除龟鳖类外所有的现代爬行动物等，鸟类也起源于双孔类。Ophiacodon （蛇齿龙） 是最原始的盘龙类，盘龙是早期的下孔类，代表向哺乳动 物进化的方向。Hylonomus和Petrolacosaurus都是体型很小的动物， 但 Ophiacodon体型要大许多，体长可达3米。
下孔类进化的很快，到二叠纪早期，Ophiacodon 就分化出两支后代， Sphenacodontia（楔齿龙）和Edaphosauria（基龙）。 楔齿龙以Dimetrodon （异齿龙）为代表，是凶猛的食肉动物； 基龙以Edaphosaurus（基龙） 为代表，是植食动物。 这二者虽然食性不同，但有不少共同点，二者体 型都比较大，长达三米。二者最重要的共同特征是背上都有巨大的“帆”。 关于“帆”作用，有人推测可能与调节体温有关。 基龙类没有留下后代，楔齿龙类则进化出了进步的下孔类－兽孔类。 早期的兽孔类与楔齿龙类非常相似，而晚期的一些进步的兽孔类则与哺 乳动物几乎没有什么区别。兽孔类从早期的始巨鳄起，到二叠纪晚期就 迅速分化出以肉食为主的兽齿类（有些晚期种类是植食性的）和植食的 缺齿类。在古生代二叠纪晚期地球上第一次物种大灭绝时，兽孔类也有 不少种类灭绝，但在中生代三叠纪早期，兽孔类又繁盛起来。二叠纪晚 期到三叠纪早期的兽孔类种类众多，分布广泛，而且占据从肉食到植食 的不同生态位，可以说是大地的主宰。 二叠纪的Moschops和三叠纪的 Dinodontosaurus 都体大如河马，是当时陆地上最大的动物之一。 水龙兽 (Lystrosaurus)则是世界上分布最广泛的动物，在很多大陆都有发现， 被 当做是大陆漂移的证据。 兽齿类是其中最重要的类群，是哺乳动物的祖先。兽齿类和哺乳动 物一样有了牙齿的分化，并且可能已经身披毛发，是恒温动物了。三叠 纪晚期到侏罗纪初期的一些兽齿类如三列齿兽类 （包括我国的卞氏兽 Bienotherium）和鼬龙类（Ictidosauria）等与哺乳动物非常相似。 三列齿 兽是进步的植食性兽齿类，曾经被当做是哺乳动物中的多瘤齿兽。鼬龙 是小型的肉食动物，是最进步的兽齿类，正处在爬行类和哺乳类的分界 线上。三列齿兽和鼬龙等出现的太晚，当时已经有真正的哺乳动物出现 了，所以它们不可能是哺乳动物的祖先，哺乳动物的祖先应该是更早期 的一些兽齿类。
在三叠纪时，另一类爬行动物－双孔类的初龙类兴起，早期的初龙 是槽齿类，主要是些食肉种类。在三叠纪中期由槽齿类进化出了恐龙， 到三叠纪晚期，蜥臀目和鸟臀目都已有不少种类，恐龙已经是种类繁多 的一个类群了，在生态系统占据了重要地位。初龙的兴起可能对下孔类 产生了巨大的冲击，初龙类特别是恐龙类很快取得了优势地位，下孔类 则逐渐衰落，只有少数种类残存到侏罗纪。而下孔类的后代——哺乳动 物，在恐龙的统治下继续生存了一亿多年，并熬过了中生代白垩纪末的 大灭绝，在恐龙灭绝后重新繁盛，成为新生代的统治者。哺乳最早出现 在三叠纪末到侏罗纪初，最早的哺乳动物是些体型非常小的食虫动物， 如我国的中国锥齿兽（Sinoconodon）， 在侏罗纪出现了植食的多瘤齿 兽类（Multituberculata），也是体型比较小的类群。 在整个恐龙统治大 地的一亿多年时间内，哺乳动物一直是不很起眼的小型动物，直到中生 代结束时也没有出现过体型巨大的种类。在恐龙灭绝后，哺乳动物进化 迅速，到始新世就已经达到全面繁盛，陆地上再次出现犹它兽那样的巨 兽（虽然比恐龙还是要小很多），并且已经开始向海洋和天空进军了。