脊索动物门哺乳动物纲化石。哺乳动物最早在侏罗纪出现。很显然，它是由和哺乳动物相象的爬行动物，例如兽孔目演化而来的。虽然在中生代哺乳动物非常稀少，但在新生代进化的非常迅速，有的体形非常大，形状可能也很不寻常。大概这一类动物太特化了，以至于不能适应变化着的环境条件，这些稀奇古怪的种属大多都灭绝了。人们通过化石对这些动物有了很好的了解。

　　多瘤类（Multituberculates）是一种相当小的、似乎是最早的，有些象啮齿动物的一种食草哺乳动物，出现于侏罗纪，其数量大概从来都不很多，并于始新世早期灭绝。随之其后的是一些在某种程度上更特化的种属，例如贫齿目，是相当原始的哺乳动物。现在尚生存着的贫齿目有食蚁兽、树獭和犰狳等。贫齿目的特点是牙齿不发育（某些种属完全无牙）。贫齿目在上新世和更新世曾普遍分布于美国南部。大懒兽科（一种灭绝的大型陆獭，有小象般大，有宽而短的头和有力的腿）也属此类。它是南美现代树獭的祖先。象旱地树獭一样，雕齿兽大约在同一时期也发展了，它是犰狳的祖先。雕齿兽是一种长甲的哺乳动物，有致密的象海龟一样的壳。雕齿兽中的个体较大的种属高达1米，长达4.5米，粗而重的尾巴被一系列骨环保护着，有的种属的尾巴末端演化成一个多骨的、有茂密刺的棒子。最早出现的食肉哺乳动物是肉食亚目，出现于古新世。随之其后的食肉动物小者有黄鼬那么大，大者有熊那么大。这些食肉动物的爪很尖锐，进化的很好，但是它们的牙齿并没有象现代食肉动物那样特化。它们的相对较小的脑子表明其头脑发育的水平很低。这类动物灭绝于始新世末。代替这些早期食肉动物的更特化的食肉动物，是在新生代期间演化出来的。根据更新世沉积物中的化石，人们清楚地了解了一种长着锐利犬齿的猫（或虎）——斯剑虎（SmiLodon）和一种狼犬（Canisdirus）。这两种动物分别属于猫科和狗科。在加利福尼亚州的兰乔拉布利沥青湖中发现了这两种动物的大量化石。

　　在第三纪的哺乳动物中，体形最大的是伍塔类（Uintatheres）或恐角类（Dinocerta）。伍塔兽（Uintatherium）有三对钝角，公的有短剑般的上牙，高2米，有小象一样大。和身体相比相对很小的脑子表明，这种动物比当时大多数哺育动物的智能都低。

　　最早的长鼻类（Proboscideans）象及其亲属在非洲的上始新世岩层中发现，大约和现代小象一样大，但是有大的头和较短的牙齿。该类动物的演化表现为体型的增大、牙齿及头部结构的变化和象牙的延长方面。猛犸象和乳齿象化石是著名的化石形态。乳齿象极象现代象，但是其牙齿结构完全不同。此外，乳齿象的头盖比现代象长，牙也格外长，有的长达2.7米。在北美有几种典型的真象和猛犸象，其中多毛猛犸象最著名。这种动物一直生存到更新世末，是由古代洞中的岩画和冰冻的遗体而得知的。根据这些证据把它复原为披复着茂密黑色长毛的象。

　　单蹄类动物（或奇蹄类动物），是每一个肢上有一个变得很大的中心蹄（趾）的哺乳动物。现代的单蹄类动物包括马、犀牛和貘。灭绝的单蹄类包括雷兽（Titanotheres）、爪兽（Chalicotheres）和俾路支兽（Baluchitheres）。这几种动物的个体都非常大，体形都极不寻常。最初的一种单蹄类动物是蹄虎兽（Hyracotherium），是所知的最早的一种马，出现于古新世。这种小动物高度约为30厘米，从牙齿可知是软食动物。在最初的马出现之后，由于有一套完整的马的化石，清楚地反映了这种重要动物的演化过程。

　　雷兽属出现于始新世，最初约为绵羊般大小。到中渐新世，已变得巨大，但依然有很小的原始的脑子。大雷兽（Brontotherium）是一种象犀牛的雷兽，站立肩高2米。从颅骨长出一块巨大的骨头，延伸成扁平的角，角的顶端呈分裂状。尽管这种动物在第三纪演化非常迅速，终于在中渐新世灭绝。大雷兽是北美发现的最大的陆生哺育动物。

　　爪兽（Chalicotheres）虽然在某种程度上有些象雷兽，但仍有自己的特点。例如石爪兽（Moropus）有象马一样的头和脖子，但是它的前腿比后腿更长，除了它的长爪代替了蹄子以外，它的足极象犀牛。

　　犀牛也是单蹄动物。犀牛类动物中也有很多有趣的和著名的化石。俾路支兽是最大的陆生动物，为无角的犀牛。它生存在晚渐新世和早中新世。这种怪异的动物从头到尾长10米，站立肩高5.5米，肯定重很多吨。俾路支兽在北美没有发现，似乎灭绝于中亚。多毛犀牛是两只角的犀牛，在更新世时期分布于从法国南部到西伯利亚东北部这一广大地区内。在西伯利亚的冰冻带发现了这种动物的完整的尸体、在波兰的油苗中发现了它的遗体，由此人们对这种动物有了很好的了解。这些不寻常的动物也在古代洞穴中的岩画上出现，为研究这种动物提供了大量的资料。

　　偶蹄动物包括诸如猪、骆驼、鹿、山羊、绵羊和河马等。偶蹄动物的化石存在于从始新世到更新世的地层中。在世界许多地方都发现了这类动物的化石。偶蹄动物的化石中，最重要的是骆驼和已灭绝的巨猪（Entelodonts）。所知最早的骆驼在始新世发现，比羊羔还小，肢体很短。但是，在它的演化过程中，牙和肢体经历了相当程度的特化，越来越大。很多中新生代的骆驼有长的腿，可以使它吃到树枝上的嫩叶。巨猪是外形象猪的巨大的偶蹄动物，生存在渐新世和早中新世。这种动物的特征是长而重的颅骨和相对小的脑子，以及在眼睛之下、沿颔的下缘的大突起物。这种大猪有的肩高1.8—2米，长约3.4米。

　　哺乳动物化石哺乳动物的演化。每一目动物所画的黑柱的宽度表示各个给定的时期内繁盛的程度。灵长目（Primatives）是最高级的哺乳动物，包括狐猴（Lemurs）、眼镜猴（Tarsiers）、猴、猿（Apes）和人。灵长目似乎出现于第三纪。参见FossilMan［人化石］条。