Tiến trình tiến hóa của động vật có vú đã trải qua nhiều giai đoạn kể từ khi tổ tiên của chúng, động vật Một cung bên, lần đầu tiên xuất hiện vào cuối kỷ Than đá. Các dạng tổ tiên nhất của lớp Thú là các động vật có vú đẻ trứng thuộc phân lớp Prototheria. Lớp này bắt nguồn từ một loài vật nào đó gần giống với thú mỏ vịt rồi phát triển thành động vật có vú hiện đại.[1] Vào giữa kỷ Tam Điệp, nhiều loài Một cung bên trông giống động vật có vú bắt đầu xuất hiện. Dòng dõi dẫn đến động vật có vú ngày nay rẽ nhánh vào kỷ Jura; thú Một cung bên từ thời kỳ này bao gồm chi Dryolestes, quan hệ gần hơn với các thú có nhau thai (placentalia) và thú có túi (marsupial) hiện đại hơn là các loài thú thuộc bộ Đơn huyệt (monotreme), các chi khác như Ambondro, thì quan hệ gần hơn với thú đơn huyệt.[2] Sau này, hai dòng dõi eutherian và metatherian tách ra; thú metatheria là những động vật có họ hàng với thú có túi, trong khi thú eutheria gần gũi với thú nhau thai. Vì Juramaia, loài thú eutheria được biết đến sớm nhất, sống cách đây vào khoảng 160 triệu năm trong kỷ Jura, sự tách rời này chắc hẳn đã phải xảy ra trong cùng thời kỳ đó.Sau sự kiện tuyệt chủng kỷ Phấn trắng – Paleogen quét sạch những loài khủng long không phải là chim (chim là nhánh khủng long duy nhất còn sót lại) và một số nhóm động vật có vú, thú có nhau thai và thú có túi tiến hóa thành nhiều dạng mới và chiếm các hốc sinh thái bị bỏ trống trong suốt đại Tân Sinh.Động vật có vú là nhóm thú Một cung bên duy nhất còn tồn tại.[3] Dòng dõi Một cung bên trở nên biệt lập khỏi lớp Mặt thằn lằn ở giai đoạn cuối kỷ Than đá, vào khoảng 320 và 315 triệu năm trước.[4] Lớp Mặt thằn lằn bao gồm các loài bò sát và chim ngày nay cùng với tất cả các loài động vật tuyệt chủng có quan hệ mật thiết với chúng.[4] Nhóm này không bao gồm các loài bò sát giống động vật có vú, một nhóm gần gũi hơn với các động vật có vú.Trong suốt kỷ Permi, các động vật Một cung bên bao gồm nhiều loài ăn thịt chiếm ưu thế và một số động vật ăn cỏ quan trọng. Tuy nhiên, trong kỷ Tam Điệp kế tiếp, một nhóm Mặt thằn lằn khá khiêm tốn trước đó, Thằn lằn chúa, đã vươn lên và dành được ưu thế. Các động vật có vú xuất hiện trong thời kỳ này; với khứu giác vượt trội của chúng, được hỗ trợ bởi một bộ não lớn, đã tạo tiền đề cơ bản cho các thích ứng phù hợp tại hốc sinh thái ban đêm, thời điểm mà chúng ít tiếp xúc với các loài săn mồi (chủ yếu là thằn lằn chúa) lớn hơn. Lối sống về đêm có thể đã góp phần rất lớn vào sự phát sinh các đặc điểm của lớp thú ngày nay như lông mao giữ ấm cơ thể và hệ trao đổi chất hằng nhiệt. Vào kỷ Phấn Trắng, sau khi khủng long chân thú thay thế các loài Rauisuchia (họ hàng với cá sấu) trở thành động vật ăn thịt chiếm ưu thế, động vật có vú phải chạy lan sang các hốc sinh thái khác. Ví dụ, một số trở thành thủy sinh, một vài trở thành loài bay lượn và một số thậm chí ăn thịt cả khủng long chưa trưởng thành.Hầu hết các bằng chứng được cung cấp bởi hồ sơ hóa thạch. Trong quá khứ, hóa thạch của động vật có vú ở đại Trung sinh và tổ tiên của chúng rất hiếm hoi và rời rạc; nhưng, từ giữa những năm 1990, đã có nhiều phát hiện mới quan trọng, đặc biệt là ở Trung Quốc. Các kỹ thuật tân tiến trong phương pháp phát sinh chủng loại phân tử đã làm sáng tỏ một số khía cạnh của quá trình tiến hóa bằng cách ước tính thời gian mà các điểm quan trọng bắt đầu tách ra đối với các loài hiện đại. Nếu được sử dụng một cách khôn khéo, những kỹ thuật này thường xuyên đồng bộ với hồ sơ hóa thạch.Mặc dù các tuyến vú là một đặc điểm đặc trưng của động vật có vú hiện đại, rất ít điều được hiểu về sự tiến hóa của sự tiết sữa do các mô mềm thường không được bảo quản trong hồ sơ hóa thạch. Hầu hết các nghiên cứu liên quan đến sự tiến hóa của động vật có vú tập trung vào hình dạng của răng, phần cứng nhất của cơ thể các loài động vật bốn chi. Các đặc điểm nghiên cứu quan trọng khác bao gồm sự tiến hóa của xương tai giữa, tư thế chân tay duỗi thẳng, vòm miệng xương thứ cấp, lông mao, tóc và hệ trao đổi chất máu nóng.