Các động vật có vú có thể được xác định bởi sự hiện diện của các tuyến mồ hôi, bao gồm cả những tuyến chuyên sản xuất sữa để nuôi con. Tuy nhiên trong phân loại hóa thạch, các đặc điểm khác phải được sử dụng, vì các tuyến mô mềm và nhiều đặc điểm khác không thể nhìn thấy được trong các hóa thạch.

Nhiều đặc điểm chung của tất cả các động vật có vú đã xuất hiện trong những thành viên đầu tiên của các động vật này:

• Khớp xương hàm - Các xương hàm dưới có chứa răng và xương sọ nhỏ gặp nhau để hình thành khớp. Trong hầu hết các gnathostomes, bao gồm các therapsids đầu, khớp bao gồm các khớp (xương nhỏ ở mặt sau của hàm dưới) và vuông (xương nhỏ ở mặt sau của hàm trên).
• Tai giữa - Trong động vật có vú nhóm crown, âm thanh được mang tới màng nhĩ bởi một chuỗi ba xương, xương búa, xương đe các, và xương bàn đạp. Theo tiến hóa, xương búa và xương đe được bắt nguồn từ các khớp và xương vuông điều đó tạo nên khớp xương hàm của các therapsids đầu.
• Răng thay thế - Răng được thay thế một lần hoặc (như trong cá voi có răng và động vật gặm nhấm murid) hoặc không thay lần nào, chứ không phải được thay thế liên tục trong suốt cuộc đời[7].
• Men răng - Các lớp men trên bề mặt của răng gồm canxi, vững chắc, cấu trúc giống hình que dài từ ngà đến bề mặt của răng.
• Condyles chẩm - Hai điểm nối ở cuối hộp sọ vừa khít với cổ đốt sống trên cùng; hầu hết động vật bốn chân, ngược lại, chỉ có một điểm nối như vậy.

Hầu hết các đặc điểm trên đã không có mặt trong các tổ tiên của động vật có vú ở kỷ Trias.

Đối với nhà cổ sinh học, để xác định loài có vú theo loài, không có giới hạn đặc điểm nào có thể được sử dụng để phân biệt các nhóm. Bất kỳ đặc điểm nào đều có thể liên quan đến đặc điểm loài của một hóa thạch. Mặt khác cổ sinh vật học xác định động vật có vú bằng các đặc điểm thì cần phải chỉ xem xét những tính năng xuất hiện trong định nghĩa. Các khớp xương hàm nối răng và xương sọ thường xuyên được nhắc đến.