2.52亿年前，地球上出现了多宗灭绝事件，它们所引起的连锁效应令大多中大型兽孔目物种灭绝。三叠纪早期时，中型与大型的陆生肉食生态位逐渐被主龙形类取代。少数大型犬齿兽亚目物种如犬齿兽属与横齿兽科的物种仍分别保有大型肉食与草食性动物的生态位，但到了侏罗纪时，所有大型陆生草食动物的生态位均被恐龙所取代。
最早的哺乳动物（克坎普的定义下）出现于约2.25亿年前的三叠纪晚期，在最早的兽孔目出现4000万年之后。这些哺乳动物于侏罗纪中期时保有夜行性食虫动物的生态位，但也逐渐有多样化的发展。例如，生存于侏罗纪时期的獭形狸尾兽，具有与现存水獭类似的外型，擅长游泳、挖掘及捕捉鱼类。然而，当时几乎所有的哺乳动物均为夜行性，称为夜行瓶颈，许多夜行性特有的特征于现存的哺乳动物（纵使为昼行性）上仍然可观察到。生存于中生代的哺乳动物主要为多瘤齿兽目、真三尖齿兽目与鼹兽类。最早已知的后兽下纲为中国袋兽，发现于中国东北辽宁省地层年代1.25亿年前白垩纪早期的页岩中。该化石十分完整，甚至保留了毛簇以及软组织的印痕。
目前已知最早的真兽下纲为外型类似鼩鼱的中华侏罗兽，生存于1.6亿年前的侏罗纪晚期。更为晚期出现的始祖兽，出现于距今1.25亿年前的白垩纪早期，具有许多有袋类共有而有胎盘类缺乏的特征；这代表着有部分有袋类的特征曾经存在于有袋类与有胎盘类的共同祖先上，而这些特征在之后有胎盘类的演化支中逐渐退化或丧失。例如，由骨盆向前延伸的上耻骨并不存在于现存的有胎盘类物种上，但可于有袋类、单孔目、非兽亚纲哺乳动物、多瘤齿兽目以及乌克哈兽（生存于白垩纪早期的真兽亚纲亚洲掘猬目物种）上发现。上耻骨主要用于在运动时能支持腹部，但这也限制了妊娠期胎儿发育的空间。狭窄的发育空间代表胎儿出生时的体型必须非常小，也因此不得有太长的妊娠期，为现存有袋类的共有特征。而胎盘的演化可能发生于上耻骨的退化消失之后。
目前已知最早的单孔目物种为泰诺脊齿兽，生存于距今1.2亿年前的澳洲。单孔目物种仍然保留有许多早期羊膜动物的特征，包括用于排泄、排遗、生产的单一开孔（泄殖腔），以及革质未钙化的卵，这些特征在现存的爬行类或鸟类身上可以发现。