Động vật có vú được phân biệt với các động vật khác nhờ có tuyến vú và các nang lông phức tạp, cũng như cấu trúc hộp sọ của chúng, có xương hàm biến đổi nhiều. Động vật có vú cũng là loài máu nóng và có số thích nghi để cho phép trao đổi chất cao.
Có lẽ sự khác biệt rõ ràng nhất giữa động vật có vú và các động vật khác là lông. Ngay cả những động vật có vú không có lông khi trưởng thành, chẳng hạn như cá voi, cũng có lông ở dạng phôi thai nhỏ, và sau đó chúng sẽ rụng lông khi chúng tiếp tục phát triển. Tóc chủ yếu có chức năng giữ ấm cho cơ thể, ngoài ra nó còn dùng để ngụy trang. Một số loài động vật có vú, như nhím, có bộ lông được biến đổi nhiều để dùng làm vật bảo vệ.
Đặc điểm mà các loài động vật có vú được đặt tên là tuyến vú, là một tuyến mồ hôi được biến đổi để tạo ra sữa, một chất lỏng bổ dưỡng giúp các động vật có vú non phát triển. Sự phát triển của sữa có lẽ liên quan đến chứng diphyodonty ở động vật có vú. Diphyodonty có nghĩa là động vật có vú có hai bộ răng trong suốt cuộc đời. Những chiếc răng đầu tiên, được gọi là răng sữa ở người, tương đối yếu, vì động vật có vú non không cần nhai thức ăn của chúng. Hầu hết các loài động vật khác liên tục mọc và thay răng trong suốt cuộc đời của chúng.
Hàm của động vật có vú rất khác với hàm của các loài động vật khác ở những điểm khác. Ở loài bò sát, hàm dưới được tạo thành từ nhiều xương. Ở động vật có vú, hàm dưới là một xương duy nhất. Các xương hàm còn lại ở động vật có vú đã phát triển trở nên rất nhỏ và đóng vai trò như một thiết bị nghe bên trong tai.
Sự thích nghi của động vật có vú đối với tính máu nóng bao gồm một trái tim bốn ngăn, có thể vận chuyển máu đi khắp cơ thể hiệu quả hơn và giữ cho máu nghèo oxy tách biệt với máu giàu oxy. Điều này giữ cho nhiều oxy hơn lưu thông đến phần còn lại của cơ thể, để cho phép tốc độ trao đổi chất cao hơn và nhiệt độ cơ thể cao hơn.
