Скелет млекопитающих отличается разнообразием строения, что соответствует большому разнообразию способов передвижения.
Осевой скелет млекопитающих представлен позвоночником, состоящим из 5 отделов:
- шейного,
- грудного,
- поясничного,
- крестцового,
- хвостового.
Позвонки млекопитающих платицельные, имеют плоские сочленовные поверхности, между ними располагаются хрящевые диски.
Для шейного отдела характерно наличие хорошо выраженных, типичных для амниот атланта и эпистрофея. Обычно шейных позвонков семь, исключения составляют ламантины (6 позвонков) и ленивцы, имеющие от 6 до 10 позвонков. У млекопитающих в отличие от птиц длина шеи определяется не числом шейных позвонков, а длиной их тел.
Грудной отдел состоит из 9—24, чаще 12—15 позвонков, к которым крепятся ребра, образующие грудную клетку. Ребра, соединенные с грудиной, называются «истинными», последние 2—5 пар ребер, не доходящие до грудины, называют «ложными». Грудина обычно плоская, только у роющих видов (кроты) и летучих мышей имеется киль для прикрепления грудных мышц.
В поясничном отделе от 2 до 9 позвонков. Позвонки несут рудиментарные ребра. Крестцовый отдел состоит из 4—10 сросшихся позвонков, причем только первые два являются истинно крестцовыми, а остальные — хвостовыми. Число свободных хвостовых позвонков изменчиво: от 3 (у гиббона) до 49 (у длиннохвостого ящера).
Общая подвижность позвоночника у разных видов млекопитающих различна, наиболее развита у мелких зверьков, которые при движении часто изгибают спину дугой, многие способны свертываться в клубок. Менее подвижен позвоночник у копытных (кроме шейного и хвостового отделов).
Различна и величина позвонков у разных видов. Так, у млекопитающих, передвигающихся на задних ногах (кенгуру, тушканчики), наиболее крупные позвонки находятся у основания хвоста и крестца; у копытных, наоборот, позвонки и особенно их остистые отростки крупнее в передней части грудного отдела, где к ним крепится мощная мускулатура шеи, отчасти передних конечностей.
Череп млекопитающих отличается от черепа рептилий большим объемом мозговой коробки; уменьшением числа костей (за счет редукции и срастания между собой ряда костей) и наличием 2 затылочных мыщелков, обеспечивающих подвижное сочленение с первым шейным позвонком. Череп млекопитающих синапсидного типа, с одной скуловой дугой, образованной костями: верхнечелюстной — скуловой — чешуйчатой.
Большое затылочное отверстие окружено общей затылочной костью (на ней расположены затылочные мыщелки), образованной срастанием четырех костей: основной, двух боковых и верхней затылочной. Ушные кости каждой стороны срастаются в правую и левую каменистые кости. Дно мозговой части черепа образовано непарными основной клиновидной и переднеклиновидной костями; впереди них в обонятельной области развивается непарная решетчатая кость. Межглазничная перегородка образована парными основными костями: глазоклиновидной и крылоклиновидной.
Крыша черепа образована парными покровными костями:
- носовыми,
- слезными,
- лобными,
- теменными,
- непарной межтеменной.
Мозговая коробка с боков прикрыта покровными чешуйчатыми костями, которые срастаются с каменистыми и барабанными с образованием височных костей. Скуловой отросток чешуйчатой кости соединяется со скуловой костью, которая в свою очередь прирастет к верхнечелюстной кости. Образовавшаяся таким образом скуловая дуга ограничивает глазницу снизу. Дно черепа укрепляют парные покровные кости: нёбные и крыловидные и непарный сошник. Межчелюстные кости срастаются с верхнечелюстными.
В области слуховой капсулы располагается свойственная только млекопитающим барабанная кость. В полости среднего уха млекопитающих находятся три слуховые косточки:
- молоточек — сочленовная кость нижней челюсти рептилий, уменьшенная в размерах;
- наковальня — образована видоизмененной квадратной костью,
- стремечко, которое образовалось уже у земноводных из верхнего элемента подъязычной дуги — гиомандибуляре — и сохраняется у всех наземных позвоночных.
Для всех млекопитающих характерно образование вторичного костного нёба, отделяющего носовой проход от ротовой полости; его образуют нёбные кости и нёбные отростки межчелюстных и верхнечелюстных костей. Благодаря образованию вторичного костного нёба и продолжающему его мягкому нёбу отверстия хоан сдвигаются к гортани, что делает возможным дыхание при заполненной пищей ротовой полости.
Нижняя челюсть млекопитающих образована парными покровными зубными костями. Зубы гетеродонтные, расположены в альвеолах.
Плечевой пояс млекопитающих упрощен: основу его составляет лопатка, имеющая гребень (увеличение поверхности для прикрепления мышц), к которой прирастает рудиментарный коракоид в виде выроста (только у однопроходных существующий как самостоятельная кость).
Ключица имеется только у млекопитающих, передние конечности которых совершают сложные движения в разных плоскостях (кроты, летучие мыши, приматы) и др. У видов, передние конечности которых совершают движения в плоскости, параллельной плоскости тела, она редуцируется (копытные). Плечевой пояс связан с осевым скелетом только мышцами и связками.
Тазовый пояс состоит из двух больших безымянных костей, образованных срастанием типичных для всех наземных позвоночных парных костей: подвздошных, седалищных и лобковых. Таз закрытый. Лобковые и седалищные кости левой и правой сторон срастаются по средней линии, образуя симфиз.
Скелет парных конечностей сохраняет все основные для наземных позвоночных типичные черты строения исходной пятипалой конечности. Однако в связи с разнообразием условий существования и характером движения исходный тип строения претерпел существенные изменения: меняется относительная длина отделов конечностей, уменьшается число пальцев и т. п. Подобно земноводным у млекопитающих в дистальной части конечностей сохраняются лучезапястный (в передней) и голеностопный (в задней) суставы. У млекопитающих продолжает совершенствоваться гистологическая структура костной компакты. Трубчатые кости конечностей, испытывающие наибольшую нагрузку, в диафизарной части построены из отграниченных остеонов.