İlk tamamen karasal olan Amniyotlar, orta Karbonifer’de sürüngen benzeri amfibilerden türemiştir, birkaç milyon yıl sonrasında (312 myö) Synapsida ve Sauropsida’ya ayrılmıştır. Geç Karbonifer’in Pennsylvanian döneminde ortaya çıkan, memelilerin evriminin başlangıcını teşkil eden Synapsid’ler Jura döneminde ayrılmıştır.
Erken Pennsylvanian döneminde Eupelycosauria görülmeye başlanmıştır.
299 mö Sphenacodontia alt takımı ayrışmıştır, 275 milyon yıl önce (mö) vücutlarının altına doğru gelen ekstremitelere sahip olan Therapsida evrimleşmiştir.
Permiyen Synapsid’lerinin dışkı fosilleri üzerine yapılan araştırma bazal Therapsida’ların kürklü olduğunu göstermiştir. (Bajdek, Piotr) Bir Therapsida grubu olan, 256 milyon yıl önce evrimleşen Theriodontia’nın (Canavar dişli) memeli benzeri dişleri vardır. Çenelerinde Quadratus kemiği küçülmüştür ve alt çene kemiği büyüktür, diğer Therapsid’lere göre daha fazla memeli benzeri olan ve geçirdiği değişimler ile çiğneme verimini artıran çeneleri vardır.
Therapsida üyesi olan, geç Permiyen’de ayrılan Cynodontia memelilerin öncüsüdür. Cynodontia muhtemelen yumurtluyordu ve muhtemelen endotermikti, şimdiki memelilerde bulunmayan temporal fenestra açıklıkları genişlemişti, arcus zygomaticus’un genişlemesi güçlü çene kaslarına zemin hazırladı.
Cynodontia çeşitlendikçe arka bacak kaslarını destekleyen epipubik kemikleri gelişti ve dik yürüyüşün gelişmesini destekledi, bu da keselilerde olduğu gibi gelişmemiş yavruların doğmasına neden oldu.
Permiyen-Triyas kitlesel yok oluşunda karasal omurgalı türlerinin %70’i ve çoğu karasal bitki kayboldu, ekosistem ve besin zinciri çöktü, yeni düzenli ekosistemin oluşması 30 milyon yıl aldı. Geç Permiyendeki baskın avcılar olan Gorgonopsian’lar ortadan kalkınca etçil nişte Cynodontia’nın ana rakibi dinozorların ve timsahların atası olan Archosaurus oldu. Archosaurus baskın avcı oldu, Archosaurus’lar ile en az rekabete giren iki Cyonodontia grubu başarılı nişlere yerleşti: Tritylodontidae otçuldu ve bu soydan köken alan Mammaliaformes’in ilk üyelerinden olan Sinoconodon’lar böcek yiyen küçük avcılardı. Bir Sinocodon olan Morganucodon bilinen en eski erken memelidir. Morganucodon’ların dişleri diplodonttur, yani bugünkü memelilerdeki gibi erişkinliğe kadar var olan süt dişlerine sahiplerdir.
(260 milyon yıl önce Epicynodontia, Orta Trias’da Probainognathia, Geç Trias’ta Brasilodontidae (Botha-Brink, 2018) ve 213 mö Tritylodontidae sıralarıyla olmak üzere mezozoik boyunca ilerleyen memeli evrimsel süreci gerçekleşmiştir.) Geç Trias Trecnotheria yaşadı
Erken Kreatase’de Symmetrodont olarak devam etti, Orta Jura’da Laurasia’da yaşayan (Cifelli, Kielan-Jaworowska, 2001) Tribosphenida / Boreosphenida keseliler ve plasentalıların atalarını birlikte içeren bir taksondur, modern memeli kulak yapısına, kürek kemiğine ve bazı memeli arka ayak özelliklerine sahiptir.
Fosil kayıtlarına göre Orta Jura’da, 170 mö Australosphenid ve Theria ayrılmıştır. Theria’lar kabuklu yumurtlar olmadan canlı yavru doğururlar. Australosphenid aşağı sınıfından 115 milyon yıl önce yumurtlayarak üreyen ve günümüzde yaşayan üyeleri olan Monotremata türemiştir. (K.W.S. Ashwell, 2017)
Theria çeşitlenerek fosil kayıtlarına göre bilinen en eski Plasentalıların atası olan Eutherian’lar 160 milyon yıl önce bu soy hattından evrimleşmiştir. (Luo, Yuan, Ji, 2011) Eutherian memelilerde epipubik kemiği yoktur, bu hamilelik sırasında karnın genişlemesini sağlar. (Reilly, White 2003)
Plasenta, Endojen Retrovirüs Grup W geninin enfeksiyon yoluyla kazanılmasıyla üretilmeye başlanmıştır. Placentalia Geç Kreatase, 90 milyon yıl önce köken almaya başlamıştır. (O'Leary ve ark. 2013)
Keselilerin atası olan Metatherian’lar her çenede dört çift molar dişe sahip olmalarıyla Eutherian’lardan ayırt edilir, bilinen en eski Metatherian olan, Çin’de bulunan Sinodelphys 125 milyon yıl önceye tarihlenir. Paleosen çeşitlenmesinde Güney Afrika’da Keseliler oluşmuştur.