L'origine des Mammifères est jusqu'à présent assez obscure, car les plus anciens Mammifères ne se sont distingués que très lentement du groupe de Reptiles avec lesquels ils ont une origine commune. Le début de la divergence entre Reptiles et Mammifères date du Trias, c'est-à-dire du début du Mésozoïque (Ere secondaire), il y a environ 200 millions d'années, et se poursuit au Jurassique, à partir duquel les Mammifères bien caractérisés sont attestés. Il est vraisemblable que les Mammifères descendent de quelque type reptilien voisin des Anomodontes, car Richard Owen et Cope ont trouvé de nombreux rapports ostéologiques entre ces Reptiles et les Monotrèmes qui sont les Mammifères qui ont conservé les caractères les plus archaïques, ainsi qu'avec les Allotheria qui sont les plus anciens animaux de cette classe que l'on connaisse. C'est dans le Trias que se trouvent les débris de ces Mammifères primitifs (à moins qu'il n'aient été encore des Reptiles?) consistant en dents isolées, en mâchoires inférieures, plus rarement en crânes, en os des membres que l'on a rapportés à cet ordre des Allotheria ou Multituberculata, dont la ceinture scapulaire est semblable à celle des Monotrèmes actuels. Comme ces derniers, les Allotheria avaient l'os coracoïde distinct et non soudé à l'omoplate, et ce caractère fait supposer qu'ils étaient ovipares comme les Monotrèmes. Les genres Microlestes et Triglyphus sont du Trias d'Europe, Tritylodon et Theriodesmus du Trias du Sud de l'Afrique. Ces possibles Mammifères primitifs étaient de petite taille, les plus grands ne dépassant pas la taille d'un Chat : la plupart ont les dimensions des Rats ou des Souris de l'époque actuelle : ils étaient probablement phytophages ou omnivores. L'existence de ce type a été de longue durée, car on connaît des spécimens de cet ordre dans le Jurassique d'Europe (Plagiaulax, Bolodon, Allodon, Stereognathus) et d'Amérique septentrionale, le Crétacé de ce dernier pays (Ctenacodon, Cimolomys Meniscoessus), l'Eocène inférieur d'Europe (Neoplagiaulax), de l'Amérique du Nord (Ptilodus, Polymastodon) et de l'Amérique méridionale (Abderites, Garzonia, Adiasthue, Anathitus, Scotoeops, Dideilatherium). Ces derniers, décrits par Ameghino après des débris provenant de l'Eocène inférieur de Patagonie, se rapprochent encore plus des Monotrèmes actuels qui peuvent être considérés comme des Allothères édentés et qui sont les derniers survivants de ce groupe autrefois nombreux de Mammifères ovipares, ou tout au moins implacentaires.

Un second groupe qui assure entre les Reptiles et les Mammifères proprement dits, aussi ancien que les Allothères puisqu'il date aussi du Trias, est celui des Protodonta et des Trituberculata, dont la dentition indique un régime insectivore et qui se rapprochaient beaucoup des Marsupiaux actuels, notamment des genres Myrmecobius et Didelphys. Tels sont le Dromatherium et le Micronodon du Trias de l'Amérique du Nord. Ce type se continue dans la Jurassique d'Europe et d'Amérique du Nord (Amphitherium, Amphilestes, Triconodon, Dicrocynodon, etc.), dans le crétacé (Dryolestes, Didelphops, Cimolestes, Batodon) et jusque dans le tertiaire d'Europe on l'on connaît de véritables Didelphydae (Didelphys Cuviéri), bien caractérisés par leurs os marsupiaux qui se sont conservés à l'état fossile. On connaît aussi de nombreux Marsupiaux de l'Eocène de Patagonie (Microbiotherium, Stilotherium, Epanorthus, etc.). Les Mammifères carnivores de ce même gisement dont Ameghino forme le groupe des Sparassodontia (Borhyaena, Acrocyon, Anatherium), semblent former le passage des Marsupiaux aux Créodontes qui forment eux-mêmes la transition aux Carnivores actuels. En Europe, c'est seulement dans le Miocène (il y a une vingtaine de millions d'années) que se sont éteints les derniers représentants des Marsupiaux (Paratherium, Otygomphius). En Amérique et surtout en Australie, les animaux de ce groupe ont survécu jusqu'à l'époque actuelle.

Ainsi, jusqu'à la fin du Mésozoïque, tous les Mammifères semblent avoir été Implacentaires : aucune de ces formes ne peut se rapporter aux Ongulés qui vont, au contraire, se développer dès l'époque Eocène (début du Cénozoïque ou Ere Tertiaire). Jusqu'à ce moment, ce sont les Reptiles, et surtout les Dinosauriens, qui avaient eu la suprématie à  la surface des continents. Après la disparition complète des Dinosauriens (transition Crétacé-Tertiaire, il y a 65 millions d'années), ils sont remplacés par des Mammifères de plus grande taille que ceux dont nous avons parlé jusqu'ici. Cependant les débuts des Placentaires sont encore modestes; dans l'Eocène inférieur des environs de Reims (faune cernaisienne de Lemoine), la faune tertiaire la plus ancienne que l'on connaisse en Europe se rattache encore aux faunes secondaires par les genres Neoplagiaulax et Liotomus. Mais, en même temps, elle possède des Insectivores (Adapisorex), des Carnivores plantigrades encore très voisins des Marsupiaux et désignés sous le nom de Créodontes, dont on a fait les genres Hyaenodictis, Arctocyon, Protoproviverra, etc.; des Lémuriens (Plesiadapis, Protoadapis), qui n'étaient peut-être pas encore grimpeurs (Pachylémuriens de Filhol), enfin des Ongulés à cinq doigts (groupe des Condylarthra, appartenant aux genres Pleuraspidotherium et Orthaspidotherium. Les plus grands de ces Mammifères avaient la taille d'un Loup.

A la même époque, l'Amérique a possédé une faune très semblable (couches de Puerco au Nouveau-Mexique). On y trouve encore des Allotheria, puis des Lémuriens (Indrodon), des Créodontes, des Ongulés (Condylarthra et Amblypodes dont le genre Coryphodon, commun aux deux continents), enfin des Tillodontia (Psittacotherium, Hemiganus), type complètement éteint et dont la denture se rapprochait de celle des Rongeurs. Mais iI est probable que les représentants de ces cinq groupes (Creodontia, Condylarthra, Pachylemuria, Amblypoda, Tillodontia) ne différaient pas plus que les différents types des Marsupiaux actuels que l'on réunit en un seul ordre.

Dans l'Eocène moyen, les Ongulés se spécialisent davantage et se divisent en Artiodactyles (Achoedodon) et Périssodactyles (Hyracotherium); les Amblypodes atteignent une taille gigantesque (Uintatherium, Loxotophodon) et les Insectivores sont plus nombreux (Ictops). Les Rongeurs, les Chiroptères et les Mammifères marins (Zenglodon, Halitherium) font leur apparition. Les faunes d'Europe et de l'Amérique du Nord montrent un développement parallèle.

L'Eocène supérieur renferme la faune illustrée par les recherches de Cuvier sur le gypse des environs de Paris. En Europe, cette faune présente les premiers Carnivores digitigrades (Cephalogale, Cynodictis) à côté des Créodontes plus anciens (Hyaenodon, Oxgoena); des Insectivores placentaires (Sorex, Neurogymnurus) à côté des Marsupiaux (Didelphys) qui s'éteignent sur ce continent; des Chiroptères, des Rongeurs (Sciurus, Cricetodon); des Ongulés Artiodactyles (Xiphodon, Caenotherium, Anoplotherium, Anthracotherium), des Périssodactyles (Laphiodon, Aceratherium, Palaeotherium); des Lémuriens (Adapis, Necrotemur). 

En Amérique (Etats-Unis), la faune contemporaine est presque identique. Les types les plus remarquables, parce qu'ils font pressentir les faunes plus récentes, sont les Suidés (Choeropotamus, Elotherium), précurseurs de nos Sangliers; les Tragulidés (Gelocus, Prodremotherium, Dorcatherium), ancêtres des Chevrotains actuels, enfin les Chats plantigrades (Pseudoelurus), première ébauche de nos grands Félidés, et proches parents du Cryptoprocte de Madagascar.

Les faunes éocènes de l'hémisphère Sud ont d'abord été connues par les fouilles faites dans la Patagonie australe par Ameghino et Moreno. Cette faune est très différente de celle de l'Amérique du Nord à la même époque. Tandis que les Marsupiaux s'éteignent dans le Nord des deux continents, ils continuent à se développer ici (Microbiotherium, Decastis, Epanorthus, Garzonia), avec des Carnivores de plus grande taille (Sparassodonta Ameghino), dont la dentition de lait indique la séparation des Marsupiaux et des Placentaires (Borhyoena, Acrocyon, Cladosictis). Les Edentés apparaissent pour la première fois et sont représentés bientôt par des types variés et de grande taille (Gravigrada, Glyptodonta). Les Ongulés sont nombreux, tous Périssodactyles et différents de ceux de l'hémisphère Nord (Proterotherium, Thoatherium, Astrapotherium); ce dernier atteint une taille gigantesque. LesToxondontia et les Typotheria sont deux sous-ordres propres à cette faune. Un autre type qui fait ici sa première apparition est celui des Ancylopoda ou Ongulés à pieds d'Edentés (Homalodontherium) que l'on retrouve plus tard dans l'hémisphère Nord. Les Rongeurs sont très abondants, au point que l'on peut admettre que ce type est originaire de l'hémisphère austral comme le sont certainement les Edentés (Ameghino). Enfin de véritables Singes (Homunculus), voisins des Cébiens actuels, complètent cette faune dont le caractère est si spécial. On remarque l'absence des Lémuriens, des Artiodactyles et des véritables Carnivores, types originaires du Nord, de telle sorte que cette faune éocène de Patagonie n'a de rapports qu'avec la faune actuelle du même pays ou avec celle de l'Australie : on y trouve, en effet, des types très inférieurs, probablement Monotrèmes (Adiastaltus, Anathitus, Scotoeops), d'autres, très voisins des Marsupiaux carnivores d'Australie (Prothylacinus), et même des Ongulés que l'on peut rapprocher des Marsupiaux ongulés (Diprotodon) que le continent australien a possédé au Pléistocène : tel est le genre Pyrotherium d'Ameghino.

Les faunes oligocène et miocène inférieure de l'Europe et de l'Amérique du Nord montrent le développement continu des faunes éocènes des mêmes régions. En Europe, les Lémuriens, les Marsupiaux, les Créodontes et les Anoplothéridés se développent (Anthracotherium, Palaeochaerus). Les Périssodactyles présentent déjà quelques genres qui font partie de la faune actuelle (Tapirus, Rhinocéros, ce dernier remplaçant l'Aceratherium éocène). Il en est de même des Rongeurs (Sciurus, Steneofiber, voisin des Castors), des Insectivores (Talpa, Erinaceus) et des Carnivores (Viverra, Herpestes). 

En Amérique, les Ongulés Périssodactyles sont plus variés encore et atteignent une taille colossale (Titanotheriurn, Brontotherium); les premiers ancêtres tridactyles des Chevaux (Mesohippus) font leur apparition; les Anoplotheridae, tous propres à l'ancien continent, semblent remplacés par une famille spéciale, celle des Oreodontidae qui fait sa première apparition; enfin les Tragulidae; avec les genres Leptomeryx, Hipertragulus et le singulier Protoceras font pressentir les Ruminants, de même que Dinictis et Hoplophoneus sont les précurseurs des Carnivores actuels.

Le Miocène moyen marque le début du grand développement des Mammifères. En Europe, les Proboscidiens font leur apparition (Mastodon, Dinotherium), ainsi que les Singes qui comprennent déjà des formes voisines des Anthropoïdes actuels (Dryopithecus); à côté des Rhinocéros et des Tapirs on trouve des Chevaux tridactyles (Anchiterium) et de véritables Ruminants à cornes (Dicroceras, Procervulus). Les Carnivores les plus répandus sont les Amphicyon, Dinocyon, Hyaenartos, ancêtres des Ours et des Chiens actuels. En Amérique, la faune est très semblable, comme le montrent les genres Anchitérium, Rhinocéros, etc., mais elle possède en plus de nombreux Oroedontidae, dont quelques-uns (Merycochoerus) avaient la taille et les moeurs aquatiques de l'Hippopotame. C'est ici que les Chameaux font leur première apparition (Protolabis), et vers la fin de cette période le genre Mastodon avait pénétré en Amérique.

Le Miocène supérieur peut être considéré, en Europe, comme l'époque où la faune mammalogique arrive à son apogée. Les grands Ongulés présentent une abondance extrême, mais l'apparition du genre Felis restreindra bientôt leur nombre. Le Proboscidiens sont plus variés; les Chevaux ont déjà leurs formes actuelles (Hipparion); mais ce sont surtout les Ruminants qui sont nombreux avec des Antilopes (Tragoceras, Palaeoryx) et des Girafes (Helladotherium, Camelopardalis) qui formaient de nombreux troupeaux et donnaient aux plaines de l'Europe centrale et méridionale l'aspect de l'Afrique intertropicale. Les Ancylopoda sont représentés par le genre Chalicotherium; les Edentés qui ont déjà quelques représentants dans l'Oligocène d'Europe par le genre Orycteropus. Enfin les grands Carnivores ont les genres Felis, Machaerodus, Ictitherium, dont plusieurs espèces atteignaient une taille redoutable. Des Singes (Mesopithecus) complètent cette faune qui dénote un climat beaucoup plus chaud que de nos jours. A la même époque l'Asie centrale et méridionale possédait une faune qui se relie nettement à celle de l'Europe, mais en diffère par la présence des Ruminants voisins des Boeufs qui font ici leur première apparition avec les genres Bos, Bison, Bubalus. Le genre Camelus a pénétré par l'Amérique occidentale, et le genre Elephas s'y montre plus précoce qu'en Europe. Les Hippopotames font leur première apparition. Aux Girafes et à l'Helladotherium s'ajoutent les genres Sivatherium, Bramatherium, etc. Enfin des Singes montrent que la faune de l'Afrique actuelle est fille de la faune de l'Europe et de l'Asie tertiaire, car, à côté des genres Simia et Semnopithecus, on y trouve les genres Troglodytes et Cynocephalus qui ne vivent plus qu'en Afrique.

La faune qui peuplait l'Amérique du Sud à la fin du Miocène se rattache manifestement à celle de l'Eocène de Patagonie dont nous avons donné le tableau. Cette faune est surtout remarquable par le grand développement de ses Edentés qui atteignent une taille comparable à celle des grands Ongulés de l'hémisphère boréal. Les uns (Gravigrades) sont alliés aux Paresseux et constituent les genres Lestodon, Megatherium, etc., les autres étaient revêtus d'une cuirasse comme les Tatous actuels : ce sont les Glyptodontes (Hoplophorus, Glyptodon, etc.). Les Périssodactyles restent bien distincts de ceux d'Europe et de l'Amérique du Nord, (Proterotherium, Macrauchenia). Les Rongeurs sont nombreux et ont des types de très grande taille, comparable à celle de l'Hippopotame (Megamys). En résumé, cette faune ne présente encore aucun mélange avec celle de l'hémisphère boréal.

Pour ce qui concerne les Mammifères, le Pliocène (dernière période du Tertiaire, il ya une douzaine de millions d'années) peut être considéré comme le début de l'époque actuelle, en ce sens que tous les types vivants sont déjà représentés sur quelque point du globe : les faunes ne différeront plus que par des extinctions ou des migrations. En Europe, les Ongulés continuent à se développer : aux Mastodontes viennent se joindre les Eléphants venus d'Asie; les vrais Chevaux (Equus) remplacent les Hipparions; les Tapirs et les Rhinocéros continuant à vivre; le genre Hippopotames, originaire de l'Orient, s'avance jusqu'aux îles Britanniques; il en est de même des Boeufs (Bos, Bubalus, Leptobos); les Cerfs atteignent leur plus grand développement (Cervus, Polycladus, Alces, Dama, Cervulus). Parmi les Carnivores, les genres actuels Canis, Ursus, Felis, Hyaena, Lutra, ont des représentants à côté des Hyaenarctos, Machaerodus, Aelurus, éteints ou émigrés vers les régions chaudes. Les Singes sont encore représentés (Semnopithecus, Dolichopithecus, Macacus). 

La faune pliocène de l'Amérique du Nord possède de nombreux Chevaux (Hipparion, Protohippus, Equus), des Oréodontes (Meycochaerus), des Chameaux et des Lamas (Camelus, Pliauchenia), des Mastodontes, et parmi les Carnivores, les genres Canis, Aelurodon, Pseudaelurus : on n'y trouve encore ni Eléphants, ni les genres Ursus et Felis déjà développés sur l'ancien continent. 

Dans l'Amérique du Sud, on constate à la même époque, pour la première fois, une immigration de formes venant du Nord : les genres Mastodon, Auchenia (Lama), Tapirus, Hippidium et Canis se mêlent aux Edentés, aux Toxodontes et aux Typothères de la faune autochtone. Bientôt les genres Equus, Dicotyles, Cervus, Felis, Machairodus, Arctotherium s'ajoutent aux précédents. 

La faune pliocène de l'Australie est la plus ancienne faune tertiaire de ce pays que nous connaissions : elle est en connexion étroite avec la faune actuelle, car elle ne présente que des Marsupiaux et des Monotrèmes, mais quelques-uns atteignent une très grande taille et peuvent être considérés comme des Didelphes ongulés (Nototherium, Diprotodora). Le Thylacoleo dépassait également la taille des Thylacines, et les Sthenurus, Procoptodon, Palorchastes, celle des Kangourous actuels.

Le Pléistocène (début du Quaternaire) forme la transition entre le Pliocène et l'époque actuelle (Holocène). En Europe, par suite du refroidissement du climat, la plupart des grands Ongulés se sont éteints ou ont émigré vers l'Afrique. Le Cheval (Equus caballus), le Rhinocéros à narines cloisonnées, le Mammouth (Elephas primigenius), le Cerf à bois gigantesque (Megaceros hibernicus), l'Hippopotame, le Boeuf et l'Aurochs, le Lion, l'Hyène et l'Ours des cavernes caractérisent cette faune avec laquelle les premiers humains se sont trouvés en lutte. Tous les autres Mammifères de la faune actuelle existaient déjà: mais ceux que nous venons de nommer se sont éteints ou ont émigré vers le Sud ou l'Est. De tous les Singes, le genre Macacus, qui vit encore à Gibraltar, est le dernier qui ait survécu : le Macaque (M. innuus) s'étendait alors jusque dans les Pyrénées. 

En Asie, la faune prend également son faciès actuel, par suite de l'émigration des grands Ongulés et des Singes vers l'Inde, l'Insulinde ou l'Afrique. 

Dans l'Amérique du Nord, la faune des cavernes de l'âge glaciaire d'Europe fait par l'Ouest une courte apparition limitée vraisemblablement à l'Alaska et au Canada; mais l'Equus caballus, l'Elephas primigenius, un grand Chat voisin du Tigre ou du Lion (Felis atrox), l'Ursus ferox, etc., montrent les rapports de cette faune avec celle du Japon, de la Sibérie et de l'Europe.

Dans l'Amérique du Sud, tous les types de grande taille disparaissent, y compris les Mastodontes et les Chevaux : mais les Lamas, les Tapirs, les Cerfs, les genres Felis, Canis, Ursus, les Edentés et les Marsupiaux survivent et constituent la faune actuelle. Inversement, les grands Edentés (Megalonyx) ont pénétré jusque dans l'Amérique du Nord pour s'y éteindre presque aussitôt. 

Enfin l'Australie perd la plus grande partie de ses Marsupiaux de grande taille et reçoit quelques Rongeurs, ainsi qu'un Chien sauvage (le Dingo), immigrants de la faune sud-asiatique. (E. Trouessart).