Syv hovedkarakteristika adskiller de 4.500 unikke pattedyrarter fra andre dyr. Pattedyr er luftåndende, varmblodede og har rygrad, men disse træk alene adskiller dem ikke fra alle andre dyr. Pattedyr er entydigt i stand til at regulere deres kropstemperatur via deres stofskifte og svedkirtler.
Mælkekirtler
Med undtagelse af nogle primitive pattedyr - som en ænderøddebre - kaldet monotremer, føder pattedyr levende unge. Kvindelige pattedyr producerer mælk, der indeholder vand, kulhydrater, fedt, protein, mineraler og antistoffer, der giver næring til at fodre deres unger. Mælk produceres af brystkirtler, som definerer klassen af dyr og giver det navnet "pattedyr".
Undercoat og Guard Hair
Alle pattedyr har hår i mindst en del af deres livscyklus. Hårsækkene har nerveender, der reagerer på berøring, hvilket øger pattedyrets bevidsthed om sine omgivelser. En frakke kaldes en pelage, og den beskytter pattedyr fra miljøet. Der er to hovedtyper af pelage: undercoatthår er små korte hår, der giver et tæt lag af isolering, og beskyttelseshår er længere og giver farve og beskyttelse mod elementerne.
Kæbe og øreben
Underkæben hos pattedyr er en enkelt knogle. Denne egenskab er unik for pattedyr; alle andre hvirveldyr har mere end en knogle på hver side af kæben. Pattedyrets mellemøre indeholder tre knogler, inklusive stigbøjlen (stapes), ambolt (incus) og hammer (malleus). Under den tidlige udvikling af pattedyr var disse knogler en del af kæben, men de skiftede job og blev en del af hørefunktionen i stedet.
Fire-kammeret hjerte og membran
Pattedyr har fire kamre i deres hjerter. Hos pattedyr kurver hjertets hovedarterie til venstre, når de forlader hjertet og bliver aortabuen. Denne hovedarterie kurver til højre hos fugle, og alle andre hvirveldyr har mere end en hovedarterie. Kun pattedyr har en membran: et ark med muskler og sener, der adskiller kroppens hulrum. Hjerte og lunger befinder sig i en øvre del af kropshulen, og leveren, maven, nyrerne, tarmene og reproduktionsorganerne er i den nedre sektion.
Komplekse hjernefunktioner
Pattedyrs hjerner er større end andre dyr. Dette gælder især for lillehjernen, den del af hjernen, der styrer hukommelse og læring. Pattedyrs hjerner har også et unikt område af hjernen kaldet en neocortex. Neocortex fungerer som det område af hjernen, der håndterer sensorisk opfattelse, motoriske kommandoer og rumlig ræsonnement. Bevidst tænkning og menneskeligt sprog behandles også i neocortex.