L'ornithorynque est un animal semi-aquatique à l'apparence étrange, faisant partie de la classe des mammifères bien qu'il ponde des œufs : c'est un mammifère ovipare, autrement dit un monotrème.

Cette espèce vit uniquement en Océanie, plus précisément à l'est de l'Australie et en Tasmanie — une île au sud de l'Australie ; elle est donc endémique.

Ce mammifère hors normes peut atteindre un poids de 2,5 kg et une longueur de 50 cm.

Il a un bec de canard caoutchouteux, une queue plate, un peu comme celle du castor, et des pattes palmées, comme la loutre. Le mâle possède à chaque patte postérieure un crochet venimeux dont la piqûre peut être douloureuse.

Comme les oiseaux, il possède un cloaque, orifice unique (c'est le sens du mot monotrème) par lequel il urine, défèque et se reproduit.

Sa démarche ondulante s'apparente à celle d'un reptile, car ses pattes sont situées latéralement, et non au-dessous du corps, comme chez la plupart des mammifères. Les pattes palmées, la queue large et mobile font de lui un très bon nageur. Il a une fourrure brun doré.

L'ornithorynque est un animal carnivore qui consomme tous les jours l'équivalent en nourriture de 20 % de son poids, ce qui lui demande de passer en moyenne 12 heures par jour dans l'eau pour cette activité. Il se nourrit de vers, de larves d'insectes, de crevettes d'eau douce et d'écrevisses qu'il déniche dans le lit des rivières en fourrageant avec son bec ou en les attrapant en nageant. Il les stocke dans ses bajoues et les mange ensuite sur le rivage.

L'ornithorynque creuse son abri d'habitation juste à côté de l'eau, dans un terrain stable et équipé. Pour faire son terrier, il utilise ses pattes avant. Pour l'accouchement et l'élevage des petits, la femelle se sert d'un autre terrier, plus grand, qu'elle aménage. Les galeries peuvent mesurer jusqu'à 18 mètres de long. A l'endroit où la femelle fait son nid, elle dispose des feuilles.

La femelle ornithorynque a deux ovaires, mais seul le gauche est fonctionnel. Elle pond de un à trois œufs (mais le plus souvent deux) mous, mesurant 11 mm de diamètre et légèrement plus sphériques que ceux des oiseaux. Les œufs se développent dans l'utérus pendant 28 jours (à la différence des oiseaux où ils ne restent qu'un jour) et sont incubés ensuite pendant 10 jours par la mère qui se roule en boule autour d'eux (contre une vingtaine de jours chez les oiseaux).

À l'éclosion, les jeunes, qui ne mesurent pas plus de 25 mm, sont très vulnérables, aveugles et dépourvus de poils. Dès la sortie de l'œuf, les petits s'accrochent à la mère qui les protège en s'enroulant autour d'eux. Comme pour les autres mammifères, la femelle allaite ses petits. Elle n'a pas de mamelons apparents, mais émet des gouttes de lait à travers de petites ouvertures dans la peau.

Pendant toute la période d'incubation et les premières semaines d'allaitement, la femelle ne quitte son nid que pendant de courtes périodes pour aller se nourrir. Elle commence à passer plus de temps dehors qu'avec ses petits au bout de cinq semaines environ. Les jeunes sortent du nid pour la première fois au bout de quatre mois.

L’ornithorynque est presque le seul mammifère à avoir le sens de l'électrolocalisation (ou électroperception) : il peut repérer ses proies en détectant l'activité électrique produite par leurs muscles. Les électrorécepteurs sont situés dans le bec. Ce sens, assez peu représenté, est exclusivement possédé par des espèces aquatiques (surtout des poissons).

Quelques zoos, en Australie, ont tenté de conserver des ornithorynques en captivité, ce qui constitue une tâche très difficile, surtout à cause du régime alimentaire très spécial de cet animal. Les méthodes d'élevage ont fait des progrès : aujourd'hui les animaux survivent, et même, réussissent à donner naissance à des petits.