Pattedyr varierer i størrelse fra den enorme blåhval til små gnavere. En af de seks grundlæggende dyregrupper, lever pattedyr i havet, i troperne, i ørkenen og endda i Antarktis. Forskellige, som de er fra hinanden, har pattedyr imidlertid en række vigtige fysiske og adfærdsmæssige egenskaber til fælles.
Definitive tællinger er svære at få ved - da nogle pattedyr er på randen af udryddelse, mens andre stadig er opdaget - men der er i øjeblikket ca. 5.500 identificerede pattedyrarter, grupperet i ca. 1.200 slægter, 200 familier og 25 ordrer. Disse tal kan forekomme store, men de er faktisk små i sammenligning med de ca. 10.000 arter af fugle, 30.000 arter af fisk, og fem millioner arter af insekter, der lever i dag.
Alle pattedyr har mælkekirtler, der producerer den mælk, som mødre opretter deres nyfødte med. Imidlertid er ikke alle pattedyr udstyret med brystvorter; platypus og echidna er monotreme, der plejer deres unge via bryst "pletter", der langsomt siver mælk. Monotreme er også de eneste pattedyr, der lægger æg; alle andre pattedyr føder levende unge, og hunnerne er udstyret med morkager.
Alle pattedyr har hår, der udviklede sig i løbet af Triass periode som en måde at fastholde kropsvarmen på, men nogle arter er hårdere end andre. Mere teknisk set er alle pattedyr hår på et tidspunkt i deres livscyklus; for eksempel har hval- og marsvinembryoer kun hår i en kort periode, mens de svinger i livmoderen. Titlen verdens verdens håreste pattedyr er et spørgsmål om debat: Nogle tårer moskusoksen, mens andre insisterer, at søløver pakker flere follikler pr. Kvadrat tomme hud.
For ca. 230 millioner år siden, i den sene triasperiode, bestod en befolkning på therapsids ("pattedyrlignende krybdyr") opdelt i første ægte pattedyr (en god kandidat til denne ære er Megazostrodon). Ironisk nok udviklede de første pattedyr næsten nøjagtigt samme tid som første dinosaurer; i de næste 165 millioner år blev pattedyr forvist til evolutionens periferi, der lever i træer eller gravende under jorden, indtil udryddelsen af dinosaurerne endelig lod dem tage centrum scene.
Alle pattedyr deler nogle anatomiske nøgler, der spænder fra det tilsyneladende mindre (de tre små knogler i det indre øre, der bærer lyd fra trommehinden) til den åbenlyst ikke-så-mindre. Det mest betydningsfulde er måske det neokortiske område i hjernen, der tegner sig for pattedyrs relative intelligens sammenlignet med andre typer dyr og de fire-kammerede hjerter hos pattedyr, der effektivt pumper blod gennem deres organer.
Selv om den nøjagtige klassificering af pattedyr stadig er genstand for tvist, er det indlysende pungdyr (pattedyr, der inkuberer deres unge i poser) adskiller sig fra placentaler (pattedyr, der inkuberer deres unge helt i livmoderen). En måde at redegøre for denne opdeling er at opdele pattedyr i to evolutionære klader: eutherere ("ægte dyr"), som inkluderer alle placentale pattedyr og Metatherianer ("over dyrene"), der divergerede fra eutherere engang i løbet af Mesozoisk æra og inkluderer alle levende pungdyr.
Årsagen til at alle pattedyr har hår er, at alle pattedyr har endotermisk eller varmblodsmetabolisme. Endotermiske dyr genererer deres egen kropsvarme fra interne fysiologiske processer i modsætning til koldblodige (ectotermiske) dyr, der opvarmes eller afkøles i henhold til miljøets temperatur de bor i. Hår tjener den samme funktion hos varmblodede dyr, som en fjerdragt gør hos varmblodede fugle: det hjælper med at isolere huden og forhindre vital varme i at slippe ud.
Delvis takket være deres større hjerner har pattedyr en tendens til at være mere socialt avancerede end andre typer dyr. Eksempler på social opførsel inkluderer besætningens opførsel af gnuer, jagt dygtighed af ulvepakker og dominansestrukturen i abesamfundene. Dog er dette en forskel i grad og ikke af art: myrer og termitter viser også social opførsel (som, ser imidlertid ud til at være helt fast kablet og instinktuel), og endda nogle dinosaurer strejfede over de mesozoiske sletter i besætninger.
En væsentlig forskel mellem pattedyr og anden større hvirveldyrsfamilier såsom amfibier, krybdyr og fisk er, at nyfødte kræver mindst en vis forældremæssig opmærksomhed for at trives. Når det er sagt, er nogle pattedyrs babyer imidlertid mere hjælpeløse end andre: et menneskeligt nyfødt dør uden tæt forældre pleje, mens mange plantespisende dyr (som heste og giraffer) er i stand til at gå og fodre umiddelbart efter fødsel.
En af de mest fantastiske ting ved pattedyr er de forskellige evolutionære nicher, de har formået at sprede sig over de sidste 50 millioner år. Der er svømmepattedyr (hvaler og delfiner), flyvende pattedyr (flagermus), træklatrende pattedyr (aber og egern), gravende pattedyr (gophers og kaniner) og utallige andre sorter. Som en klasse har pattedyr faktisk erobret flere levesteder end nogen anden familie af hvirveldyr; derimod i din 165 millioner år på jorden, blev dinosaurier aldrig fuldt akvatiske eller lærte at flyve.