สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม มีลักษณะที่แตกต่างจากสัตว์ชนิดอื่นๆ อย่างชัดเจน มีลักษณะทั่วไปคือ ตลอดทั่วทั้งลำตัวมีขนปกคลุม(hair) บางชนิดอาจวิวัฒนาการร่างกายให้มีจำนวนเส้นขนลดน้อยลง มีผิวหนังที่ปกคลุมทั้งร่างกาย มีต่อมเหงื่อ(sweat glands) ต่อมกลิ่น (scent glands) ต่อมน้ำมัน (sebaceous glands) และต่อมน้ำนม (mammary glands) มีฟันที่แข็งแรงสำหรับล่าเหยื่อและบดเคี้ยวอาหารจำนวน 2 ชุด (diphyodont) ทั้งบริเวณขากรรไกรด้านบนและขากรรไกรด้านล่าง มีฟันชุดแรกคือฟันน้ำนม (milk teeth) ที่จะถูกแทนที่ด้วยฟันแท้ (permanent teeth) มีเปลือกตาที่สามารถเคลื่อไหวได้ นัยน์ตา 2 ข้างสามารถกลอกไปมาเพื่อใช้สำหรับมองเห็นและป้องกันตัวเองจากศัตรู รวมทั้งมีใบหูที่อ่อนนุ่ม

          สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมบางชนิด มีการวิวัฒนาการด้วยการปรับเปลี่ยนรยางค์ทั้ง 2 คู่ ให้เป็นไปตามแบบของแต่ละสายพันธุ์หรือในการดำรงชีวิต เช่น วาฬที่แต่เดิมจัดเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่อาศัยบนบก แต่มีวิวัฒนาการปรับเปลี่ยนตัวเองด้วยการลดรยางค์จากเดิมที่เป็นขาคู่หน้า ให้กลายเป็นครีบ เพื่อสำหรับอาศัยในท้องทะเล จากหลักฐานโครงกระดูกของวาฬ เมื่อทำการเปรียบเทียบลักษณะของกระดูกบริเวณครีบหน้า จะเห็นว่ามีการพัฒนาและเปลี่ยนแปลงด้วยการลดรยางค์คู่หน้า จากเท้าหน้าให้กลายเป็นครีบ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมบางชนิดอาจลดรยางค์ลงหรือหายไปเลยก็มี ทั้งนี้ก็เพื่อการเคลื่อนไหวในรูปแบบต่างๆ และสำหรับการดำรงชีวิต

          สามารถหายใจได้ด้วยปอดและมีกล่องเสียงสำหรับขู่คำราม เช่น แมว เสือ สิงโต เป็นต้น มีกระบังลม (diaphragm) มีลักษณะเป็นแผ่นกล้ามเนื้อทำหน้าที่กั้นระหว่างช่องอกและช่องท้องมีระบบขับถ่ายที่ประกอบไปด้วยไตแบบเมทาเนฟรอส (metanephros) และมีท่อปัสสาวะ (ureter) ที่ทำหน้าที่เปิดเข้าสู่กระเพาะปัสสาวะ (urinary bladder) และมีสมองที่มีการเจริญอย่างดีเยี่ยม

          สิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งของลักษณะทั่วไปของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมคือ การรักษาอุณหภูมิของร่างกายให้คงที่ แม้สภาพอากาศจะมีการเปลี่ยนแปลงโดยการใช้พลังงานความร้อนที่เกิดจากเมทาโบลิซึมภายในร่างกาย (endothemic) หรืออาจจะกล่าวได้ในอีกในอีกทางหนึ่งที่ว่า อุณหภูมิร่างกายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมจะคงที่ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อม (homeothemic) ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของสัตว์เลือดอุ่น (warm-blooded)

          สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมมีเพศที่แบ่งแยกชัดเจน ทำให้สามารถรู้ได้ทันทีว่าเป็นเพศผู้หรือเพศเมีย(dioeceous) สืบพันธุ์โดยการปฏิสนธิภายในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมเพศเมีย ตัวอ่อนภายในท้องจะมีสายรกสำหรับยึดเกาะ (placental attachment) และเจริญเติบโตอยู่ภายในมดลูก มีเยื่อห่อหุ้มตัวอ่อน (fetal membrane) และมีน้ำนมจากต่อมน้ำนม เพื่อสำหรับเลี้ยงดูลูกอ่อน