Млекопитающие раздельнополы; самцы и самки обычно различаются по величине, окраске и поведению. Несмотря на то, что практически все млекопитающие живородящи, строение их органов размножения отличается некоторыми особенностями.

Яичники самки невелики, а развивающиеся в них яйцеклетки имеют очень маленькие размеры и почти лишены желтка. Когда яйцеклетка созревает, она поступает в яйцевод, где и происходит оплодотворение. Оба яйцевода открываются в матку – мускулистый мешок, стенки которого могут очень сильно растягиваться. Яйцеклетка прикрепляется к стенке матки и начинает делиться. Всё дальнейшее развитие плода происходит в этом органе.

Вокруг маленького зародыша образуются оболочки, которые одной своей стороной срастаются со стенкой матки. Эти оболочки образуют плаценту; в ней кровеносные сосуды матери через пуповину тесно связаны с кровеносными сосудами плода. Через стенки сосудов из крови матери в кровь зародыша поступают питательные вещества и кислород. Углекислый газ и другие вредные для зародыша вещества поступают в обратном направлении и удаляются уже самим организмом матери.

У зародыша млекопитающего на ранних стадиях развития имеются хорда, жаберные щели и другие признаки низших хордовых. По мере роста он растягивает стенки матки. Продолжительность такого внутриутробного развития у представителей разных видов различна. Это зависит, главным образом, от размеров животного: беременность у хомячков, к примеру, длится 11–15 суток, у собаки – 2 месяца, а у слона – 20–22 месяца. Размеры влияют и на количество детёнышей: у крупных животных их 1–2, а у мелких может быть один или даже два десятка.

Когда заканчивается срок беременности, наступают роды. Мышцы матки сокращаются и выталкивают плод через половое отверстие наружу. Детёныш делает вдох – и его лёгкие расправляются, после этого он может дышать сам. Пуповина может разорваться или мать сама перегрызает её.

Самка выкармливает детёнышей молоком; отсюда и происходит название класса. Молоко образуется в млечных железах, которые могут быть расположены на груди или на брюхе животного. Протоки этих желёз открываются маленькими отверстиями на конце сосков. Их число тоже может быть различным, в зависимости от плодовитости данного вида. Молоко начинает вырабатываться к моменту родов. Оно питательно и содержит все необходимые для молодого организма вещества – жиры, белки, углеводы, различные витамины и минеральные соли, а также воду.

Первое время детёныши кормятся только одним молоком. Со временем они переходят на пищу, которая станет для них обычной.

Детёныши у большинства млекопитающих рождаются слепыми и даже иногда голыми. Самка ещё до родов строит гнездо, где могло бы находиться родившееся потомство. Она согревает детёнышей своим телом, вылизывает их и кормит. У других млекопитающих (например, некоторых копытных) детёныши рождаются полностью сформировавшимися и уже через несколько часов могут следовать за матерью. В этом случае она только кормит и охраняет их. Вообще, потомством, в основном, занимается мать, но у некоторых видов это делает отец. Инстинкт нередко даже заставляет родителей рисковать своей жизнью, чтобы спасти жизнь детёныша.

Молодняк любит играть, бороться, преследовать друг друга, прыгать и бегать. Всё это служит хорошей тренировкой и способствует выработке приёмов защиты и нападения, которые могут быть индивидуальными. Такие игры характерны только для млекопитающих.