Memeliler, sinapsidlerin iki ana amniyot grubundan birinin (amfibi olmayan tetrapodlar) en yeni evrim aşamasını temsil eder. Carbonifeer döneminde, genellikle thepseps olarak adlandırılan, memeliler dışındaki sinapsitler, diğer ana gruptan, sauropsitlerden (sürüngenler), diğer ana gruptan, sauropsitlerden (sürüngenler) ayrılmıştır. İlk bilinen sinapsit , 320 milyon yıl önce yaşayan kertenkele benzeri bir yaratık olan Archaeothy'di . Sürüngenler gibi, sinapsidler Carboniferous amfibilerinden evrilmişlerdir.
Sinapsitler, yaklaşık 275 milyon yıl önce, Permiyen döneminin ortasına kadar yaklaşık 40 milyon yıl boyunca baskın olan karasal omurgalılar olacak olan soylulara dönüşmeye devam edeceklerdi. Pelycosaurlar ilk büyük (1 metreden 3 metreye veya daha fazla) karasal amniyot oldukları için ünlüdür. Vücut ısısını düzenlemek ve eşleştirme ekranları için kullanıldığı düşünülen uzatılmış vertebra dikenlerinden yapılmış büyük kuyruk yelkenleri vardı. Pelycosaurlar, sinapsitler olmasına rağmen, yüzeysel olarak sürüngenleri andırıyorlardı. Bu grup, ilk Permiyen'in en bol kara hayvanıydı.
Pek çok sahtekar, Permiyen'in sonuna kadar neslinin tükenmesine ya da başka gruplara dönüşmesine neden oldu. Bir grup, sfenokodontidler, bir sonraki majör sinapsid grubu olan thepseps olarak gelişti. Bir zamanlar "memeliye benzeyen sürüngenler" olarak adlandırılan Thepsyps'ler, sıradan göze proto-memelilere benziyor. Bu grup, Permiyen'in başlarında evrimleşmiş ve yaklaşık 150 milyon yıl boyunca Kretase'nin başlarında kalmış. Bu, Dinozorlar Çağı ile yaklaşık 100 milyon yıl örtüşmektedir. Dinozorlar ortaya çıkmadan önce, Permiyenin sonlarında, thepsiler en sayısız ve başarılı karasal omurgalılardı. Ne yazık ki grup için, 251 milyon yıl önce Permiyen-Triyas neslinin tükenmesi sırasında neredeyse tamamen yok edildiler.
Permiyenin ortasından Jurassic ortasına kadar 70 milyon yıl süren kademeli bir süreçte, bir grup terapist olan sinodontlar gerçek memelilere dönüştü. Mesozoyik çağın erken dönem memelileri hakkındaki bilgiler azdır, çünkü bu canlıların çoğu sıçanlardan daha küçüktü ve fosilleşmenin zor olduğu bağlamlarda yaşadı. Gerçek memelilerin, "memeli formları", memeli benzeri terapidlerden yaklaşık 40 milyon yıl sonra, 125 milyon yıl önce ortaya çıktığı bilinmektedir. İlk memelilerden biri Hadrocodium'du , ancak bu türün gerçek bir memeli olup olmadığı konusunda tartışmalar vardı. İlk monotremler, plasentaller ve kesecikler - üç ana memeli türü - hepsi aynı zamanda ortaya çıktı.
Dinozorların neslinin tükenmesinden sonra (65 milyon yıl önce) memeliler hızlı bir şekilde çeşitlendi ve soyu tükenmiş türler tarafından boş bırakılan büyük ve orta büyüklükteki hayvanlar için nişleri devraldı. Bugün, memeliler karasal omurgalılar dominantlarıdır ve sürüngenler ayakları altında kaymaktadır. Elbette, Mesozoyik dönemi boyunca durum tam tersi.
