Todos los mamíferos tienen una reproducción sexual, por lo que es necesaria la presencia de las células sexuales masculinas (espermatozoides) y femeninas (óvulos) para realizarse. Estas células contienen la información genética propia de ambos progenitores para que después de la fecundación (unión entre estas dos células) se origine un individuo completo con las características propias de la especie.
Los órganos donde se producen estas células se denominan gónadas. En los machos existen los testículos y en las hembras los ovarios. Sin embargo, hay también otras estructuras que intervienen en la reproducción, tales como los oviductos (canales que comunican el ovario con el útero), el útero (cavidad donde se desarrolla el embrión) y la vagina (canal de recepción del órgano copulador masculino) en las hembras. En los machos interviene el órgano copulador o pene que, en comunicación con los testículos, transmite los espermatozoides a la hembra a través de la vagina.
En el caso de los mamíferos actuales más primitivos, como los monotremas, existe un oviducto conectado a un ovario en cada lado del cuerpo; la parte superior corresponde al útero y la inferior a la vagina de los demás mamíferos. Esta zona inferior desemboca en una cámara llamada cloaca, que también recibe la orina de la vejiga y juntos se abren a un orificio común. La transferencia de las células sexuales masculinas a la hembra se realiza por una simple yuxtaposición de las cloacas de ambos sexos.
Después de la fecundación del óvulo, el desarrollo embrionario ocurre en el útero, dentro del cuerpo de la madre (reproducción vivípara). Los monotremas (equidnas y ornitorrincos) son los únicos mamíferos en los que la gestación ocurre fuera del cuerpo de la madre, ya que ponen huevos que son incubados al igual que las aves (reproducción ovípara). En el caso de los marsupiales, el período de gestación en el útero dura entre 10 y 15 días, las crías nacen en un estado de desarrollo prematuro, y la mayor parte de su crecimiento se realizará en la bolsa marsupial que tiene su madre.
El resto de los mamíferos desarrolla una estructura interna especial llamada placenta, que consiste en una envoltura a través de la cual se alimenta el feto en desarrollo y también expulsa los productos de desecho.
