L'Australie regorge de fossiles de mammifères, que ce soit d'espèces vivantes ou d'espèces éteintes, avec de nombreux fossiles de marsupiaux. Des fossiles retrouvés démontrent que les monotrèmes sont présents en Australie depuis le Crétacé (145 à 99 Ma) et que les marsupiaux et les mammifères placentaires y vivent depuis l'Éocène (il y a 56 à 34 Ma), époque à laquelle apparaissent les premiers mammifères modernes d'après les découvertes de fossiles. Bien que les marsupiaux et les mammifères placentaires aient coexisté en Australie au cours de l'Éocène, seuls les marsupiaux y ont survécu. Des fossiles de chauves-souris et de rongeurs laissent penser que les mammifères placentaires sont réapparus en Australie au cours du Miocène, époque à laquelle l'Australie s'est rapprochée de l'Insulinde. La concurrence dans l'évolution a amené les marsupiaux à occuper des niches écologiques et, dans de nombreux cas, leurs évolutions les ont amenés à ressembler physiquement aux mammifères placentaires occupant des niches comparables en Eurasie et en Amérique du Nord. Ce phénomène est connu sous le nom d'évolution convergente. Par exemple, le super-prédateur de l'Australie, le tigre de Tasmanie présente un certain nombre de ressemblances frappantes avec des canidés tels que le loup gris, tandis que le petauridae, tout comme l'écureuil volant, est adapté au style de vie arboricole ou que le Myrmecobius fasciatus et le fourmilier (Myrmecophagidae) sont tous deux des insectivores qui creusent le sol pour y trouver leur nourriture.
Les monotrèmes sont — chose rare — des mammifères ovipares. Ils ne mettent donc pas bas mais pondent des œufs. Des cinq espèces vivantes connues de monotrèmes, deux sont présentes en Australie : l'ornithorynque et l'échidné à nez court.
L'ornithorynque — mammifère amphibie venimeux pondant des œufs et pourvu d'un bec de canard — est l'une des créatures les plus singulières chez les mammifères. Lorsque Joseph Banks présenta pour la première fois, à la fin du XVIIIe siècle, une fourrure d'ornithorynque à des naturalistes anglais, ceux-ci furent convaincus qu'il s'agissait là d'un canular bien ficelé.
L'échidné à nez court est un monotrème tout aussi étrange. Couvert d'une fourrure présentant des piquants, muni d'un long museau tubulaire en guise de gueule, l'échidné peut aussi successivement sortir et rentrer sa langue une centaine de fois par minute pour attraper des termites.
L'Australie héberge également la plus grande diversité de marsupiaux au monde. Il s'agit de mammifères possédant une poche abdominale, le marsupium dans laquelle grandissent leurs petits qui naissent à l'état d'embryons.
Les marsupiaux représentent près de la moitié des 230 espèces de mammifères d'Australie.
L'Australie présente deux ordres de mammifères placentaires endémiques : les chauves-souris, de l'ordre des Chiroptera, représentées par six familles, ainsi que les souris et rats, de l'ordre des Rodentia (rongeurs), famille des Muridae (muridés). Cela fait relativement peu de temps que les chauves-souris et les rongeurs sont arrivés en Australie.
Les chauves-souris sont probablement arrivées d'Asie et ne semblent présentes sur le continent, selon les datations de fossiles, que depuis quinze millions d'années. Bien que l'Australie abrite 7 % des espèces de chauves-souris du monde, seuls deux genres sont endémiques.
Les premiers rongeurs sont arrivés en Australie il y a cinq à dix millions d'années et ont connu une importante radiation adaptative qui les a conduit à séparer ceux-ci en différentes espèces. Ils sont plus connus sous le nom d'« anciens rongeurs endémiques » et étaient représentés par quatorze genres aujourd'hui disparus. Il y a environ un million d'années, des rats provenant de Nouvelle-Guinée sont apparus en Australie et ont alors évolué en sept espèces de Rattus, communément appelés « nouveaux endémiques ».
En s'installant en Australie, les humains ont introduit de nombreux mammifères placentaires. Les premiers furent vraisemblablement les dingos. Des découvertes de fossiles tendent à prouver que des peuples venant du nord ont amené le dingo il y a de cela 5 000 ans.
Les Européens, pour leur part, lorsqu'ils ont colonisé l'Australie, ont volontairement relâché des espèces sauvages dans la nature. C'est le cas du renard roux, du lièvre du Cap, du lapin de garenne, du daim, du cerf élaphe, du sambar, du cerf rusa, du chital, du cerf cochon et du buffle. D'autres espèces, domestiques celles-ci, se sont échappées et sont à l'origine de populations devenues aujourd'hui sauvages. On appelle ce phénomène marronnage. On peut citer le chat, le cheval domestique, l'âne, le porc, la chèvre et le dromadaire. Seules trois des espèces non indigènes d'Australie n'ont pas été volontairement introduites : la souris et les célèbres rat des villes et rat des champs.
Les eaux du littoral australien abritent quarante-six espèces de mammifères marins, de l'ordre des cétacés. Toutefois, ces espèces étant présentes dans d'autres régions du monde, certains auteurs ne les considèrent pas comme des espèces australiennes. On trouve neuf espèces de mysticètes dont l'énorme baleine à bosse. Les odontocètes (ou cétacés à dents) y sont représentés par 37 espèces, dont les six genres de la famille des ziphiidae (baleines à bec) et 26 espèces de delphinidae (dauphins océaniques), avec parmi celles-ci le grand dauphin et le dauphin à aileron retroussé d'Australie, espèce décrite pour la première fois en 2005. Certains delphinidae, comme l'orque, sont présents tout autour du continent, tandis que d'autres, comme le dauphin Irrawaddy, vivent exclusivement dans les eaux plus chaudes du nord. Le dugong (de l'ordre des Sirenia) est une espèce marine menacée qui vit dans les eaux du Nord-Est et du Nord-Ouest de l'Australie, plus particulièrement dans le détroit de Torres. Il peut mesurer jusqu'à trois mètres et peser jusqu'à 400 kilogrammes. Le dugong est le seul mammifère marin herbivore d'Australie. Il se nourrit de plantes aquatiques situées au large des côtes. Cette espèce est menacée notamment par la destruction des fonds marins sur lesquels poussent ces plantes.
Enfin, dix espèces de phoques et de lions de mer (famille des carnivora) vivent au large de la côte sud de l'Australie et dans les territoires australiens de l'Antarctique.