Mặc dù các loài động vật có vú còn sống có thể được xác định bằng sự hiện diện của các tuyến vú sản xuất sữa ở con cái, các đặc điểm khác là cần thiết khi phân loại hóa thạch, bởi vì các tuyến vú và các đặc điểm mô mềm khác không thể được chỉ ra từ hóa thạch.

Một đặc điểm có sẵn cho cổ sinh vật học, sở hữu chung bởi tất cả các động vật có vú còn sống (bao gồm cả lớp đơn huyệt), nhưng không có trong bất kỳ bộ Cung thú Tam Điệp nguyên thủy nào, được minh họa trong Hình 1 (bên phải), cụ thể là: động vật có vú sử dụng hai xương nhỏ của xương nhỏ thính giác để nghe ngóng nhưng tất cả các loài động vật có màng ối khác dùng để ăn. Động vật có màng ối sớm nhất có khớp hàm bao gồm một xương khớp hàm dưới (articular, một xương nhỏ ở phía sau của hàm dưới) và xương vuông (quadrate, một xương nhỏ ở phía sau hàm trên). Tất cả các động vật bốn chi không phải động vật có vú đều sử dụng hệ thống này bao gồm các loài lưỡng cư, rùa, thằn lằn, rắn, cá sấu, khủng long (và hậu duệ của chúng là các loài chim), ngư long, dực long và bộ Cung thú. Động vật có vú thực sự có khớp hàm khác hẳn, chỉ bao gồm xương hàm dưới (dentary), mang răng và xương squamosal (xương sọ nhỏ khác). Trong kỷ Jura, xương vuông và xương khớp hàm của chúng tiến hóa thành xương đe (incus) và xương búa (malleus) thuộc tai giữa.[5][6] Động vật có vú cũng có hai lồi cầu xương chẩm; hai núm ở đáy hộp sọ khớp với đốt sống cổ trên cùng (đốt atlas), trong khi các động vật bốn chi khác có một lồi cầu xương chẩm duy nhất.[5]