[[File:Thylacinus.jpg|thumb|Scomparso nel 1936, il [[Thylacinus cynocephalus|tilacino]] era il più grande mausupiale carnivoro ad essere sopravvissuto fino all'età moderna.<ref name=e77>{{cita|Egerton, 2005|p. 77}}.</ref>]]
Il registro fossile dei mammiferi australiani è ingente, così come il numero dei rappresentanti della fauna mammaliana attuale, dominata dai marsupiali, ma le ricerche tassonomiche a riguardo sono state finora limitate.<ref>{{cita libro | titolo=The Action Plan for Australian Mammals 2012 | autore=John Woinarski, Andrew Burbidge e Peter Harrison | editore=CSIRO Publishing | anno=2014 | url=http://www.publish.csiro.au/pid/7010.htm | isbn=9780643108738 | urlmorto=no | urlarchivio=https://web.archive.org/web/20140607002756/http://www.publish.csiro.au/pid/7010.htm}}</ref><ref name=e34>{{cita|Egerton, 2005|p. 34}}.</ref> I registripiù fossiliantichi indicanoresti chefossili idi monotremi sono presentirinvenuti in Australia finrisalgono dalal [[Cretaceo inferiore]], 145-99 milioni di anni fa,<ref>{{cita pubblicazione | autore=M. Archer ''et al.'' | anno=1985 | titolo=First Mesozoic mammal from Australia-an early Cretaceous monotreme | rivista=[[Nature]] | volume=318 | numero=6044 | pp=363-366 | doi=10.1038/318363a0 | bibcode=1985Natur.318..363A}}</ref> e iquelli più antichidi [[Metatheria|marsupiali]] e placentati risalgono all'[[Eocene]], 56-34 milioni di anni fa,<ref>{{cita pubblicazione | autore=H. Godthelp ''et al.'' | anno=1992 | titolo=Earliest known Australian Tertiary mammal fauna | rivista=Nature | volume=356 | numero=6369 | pp=514-516 | doi=10.1038/356514a0 | bibcode=1992Natur.356..514G}}</ref> periodo in cui nel record fossile compaiono i primi mammiferi moderni. Sebbene nell'Eocene marsupiali e placentati abbiano convissuto insieme nel continente, solo i marsupiali sono sopravvissuti fino ad oggi. I placentati non volatori comparvero nuovamente in Australia nel Miocene, quando il continente si avvicinò all'[[Indonesia]], e i [[Rodentia|roditori]] iniziano a comparire in modo affidabile nei registri fossili del Miocene superiore. I marsupiali si sono evoluti per riempire specifiche nicchie ecologiche e in molti casi sono fisicamente simili ai mammiferi placentati dell'[[Eurasia]] e del Nordamerica che occupano nicchie simili, un fenomeno noto come [[Convergenza evolutiva|evoluzione convergente]].<ref>{{cita libro | autore=C. R. Townsend ''et al.'' | anno=2008 | capitolo=Ecology’s evolutionary backdrop | titolo=Essentials of Ecology | edizione=3 | editore=Wiley-Blackwell | isbn=978-1-4051-5658-5}}</ref> Ad esempio, il predatore apicale dell'Australia, il [[Thylacinus cynocephalus|tilacino]],<ref name="e77"/> somigliava in maniera sorprendente ai [[Canidae|canidi]].<ref>{{cita pubblicazione | autore=Ewen Callaway | data=11 dicembre 2017 | titolo=Tasmanian wolf genome offers clues to its extinction | rivista=Nature | volume=552 | numero=7684 | pp=156-157 | doi=10.1038/d41586-017-08368-1 | bibcode=2017Natur.552..156C | pmid=29239379}}</ref> Gli [[Petauridae|opossum volanti]] e gli [[Pteromyini|scoiattoli volanti]] hanno sviluppato adattamenti simili che consentono il loro stile di vita arboricolo;<ref>{{cita web | url=https://www.encyclopedia.com/environment/encyclopedias-almanacs-transcripts-and-maps/ringtail-and-greater-gliding-possums-pseudocheiridae | titolo=Ringtail and Greater Gliding Possums (Pseudocheiridae) {{!}} Encyclopedia.com | sito=www.encyclopedia.com | accesso=10 febbraio 2020}}</ref> e il [[Myrmecobius fasciatus|numbat]] e i [[Vermilingua|formichieri]] sono entrambi insettivori scavatori.<ref name=e78>{{cita|Egerton, 2005|p. 78}}.</ref> Generalmente, la grande maggioranza dei mammiferi australiani non sono facilmente osservabili, in quanto la maggior parte delle specie sono notturne e molte arboricole.
