単弓類
単系統として考えるならば、単弓類は哺乳類をその一部として含むことになる。一方、側系統を認める伝統的分類では爬虫綱の中の亜綱の一つとされていたが、これも誤りの可能性がある。これは、現在も両棲類と爬虫類の境目並びにその中間に当たる生物が解明されておらず、どこからどこまでを「爬虫類」とするかも定かではなく、もし単弓類が分岐したとされる「最初期の有羊膜類」が爬虫類に分類されるものでなければ、側系統を認める場合であっても、単弓類は爬虫類に含めるべきではないからである。これについては本項の他、爬虫類、有羊膜類、竜弓類の項も参照されたい。 これまではその外観などから哺乳類型爬虫類、獣型爬虫類あるいは非哺乳類単弓類とも呼ばれてきた。しかし、最近の分類では「爬虫類」には含まれないため、現在この呼称は便宜的に用いられるのみとなりつつある。なお、これに代わるものとして、爬虫類型哺乳類、爬獣類といった呼称も提案されている。
かつて哺乳類は顎関節によって定義されてきた。爬虫類や哺乳類以外のほぼすべての単弓類は顎の関節を構成する骨は方形骨と関節骨と呼ばれる骨であり、下顎も複数の骨で構成されていた。しかし、哺乳類は麟状骨と歯骨によって顎関節が構成されている。しかし近年、この定義が適用できない中間的な形態の化石が発見されることが多くなったため、現生種を含む最も小さい単系統となるよう、厳密に再定義することとなった。これにより、初期の一部グループが哺乳類から外れることになる。それらを含めた従来の広い意味での哺乳類を、哺乳形類という。
三畳紀後期初頭、中規模な大量絶滅が地球を襲い、再び多数の系統が姿を消した。獣弓類では、テロケファルス類の姿は既になく、ディキノドン類もゴンドワナ大陸にわずかに生き残っているだけになってしまった。キノドン類も例外でなく、トリティロドン類、トリテレドン類、そして哺乳形類の三グループが生き延びただけであった。これらはいずれも小型のグループであった。
単弓類は20世紀初頭、ヘンリー・フェアフィールド・オズボーンによって双弓類とともに定義された。この時点では、爬虫類とされた生物の大まかな分類は、側頭窓の形態によって行われていた。当時の分類としては、側頭窓が二つあるものが双弓類。一つだけ、あるいは持たないものが単弓類とされた。この時点では、獣弓類の異歯亜目はともかく、コティロサウルス類、カメ、首長竜などまでもがまとめて分類されていた。その後無弓類などの分類群が提案され、各系統は整理されていった。その結果単弓類は、爬虫類の4つ(あるいは5つ)の亜綱の1つ、単弓亜綱とされた。単弓類以外のものとしては、側頭窓の無い無弓亜綱、二つある双弓亜綱、一つであるが単弓類に比べて上方にある首長竜など広弓亜綱(魚竜など側弓亜綱を分ける場合もある)が挙げられる。こうした伝統的な分類は、1980年代までは有効であった。
しかし研究が進み、広弓亜綱(および側弓亜綱)は、双弓亜綱の二つの側頭窓のうち下方のものの下端が開いたものであり、双弓類の派生であることが判明した。また無弓亜綱も多系統であることが判明し、解体されることとなった。このグループは、初期の有羊膜類(中には現在両生類とされているものもあった)というだけに過ぎず、系統を反映したものではなかった。唯一現存する無弓類とされてきたカメ類も、遺伝子の解析の結果、側頭窓が二次的に失われたものであったことが判明した。そして単弓類は、分岐分類学の手法が導入された結果、他の全ての有羊膜類とは最初期から分岐していたことが明らかになった。そのためこのグループを爬虫類から切り離し、哺乳類を含む分類群として定義し直された。
このキノドン類の中からトリナクソドンなどが現れた。この生物において特筆すべきことは、腹部の肋骨が縮小し、胴がねじれるようになったことである。これ以降のいくつかの種のキノドン類の化石の中には、身体を丸めて眠ったまま化石化したものも存在する。小型哺乳類が眠る際に、体温を逃がさない時にこういった姿勢をとることから、すでにこの段階で恒温性を獲得しつつあったのではないかとされる。また、体毛を獲得していた可能性も高いとされる。すでにゴルゴノプス類の段階において洞毛(感覚毛)の痕跡が確認されているからである。同時に胴体をねじることができるということは、哺乳行動とも密接な関わりがある。初期ディノケファルス類の皮膚化石には無数の腺らしきものが発見されていることから、この段階で乳腺を獲得していても不思議ではない。
以降、キノドン類はキノグナトゥスなどの大型捕食者やディアデモドン、トラベルソドンなど草食に適化したものなどを輩出するなど、勢力を拡大していった。この過程で四肢の直立化など、哺乳類的な特徴を獲得していった。その中でも大きなものが、顎関節の改変である。
異歯亜目と獣歯類はペルム紀後期に繁栄の頂点にあったが、ペルム紀と中生代三畳紀の間(P-T境界と呼ばれる)に起きた大量絶滅によって大半が絶滅することになる。全生物の95%以上が絶滅したといわれるこの未曾有の大量絶滅を生き延びた獣弓類は、異歯亜目ではディキノドン類、獣歯類ではテロケファルス類、キノドン類であった。
異歯亜目のディキノドン類はリストロサウルスやカンネメエリアなどカンネメエリア科やその近縁の少数のメンバーのみが生き延びた。しかしかれらは急速に勢力を回復していく。陸上生態系のほぼすべてを占めるということはなかったが、リストロサウルスはパンゲア大陸の各地に姿を現した。そのためかれらはキノグナトゥス(キノドン類)、メソサウルス(中竜類、初期の有羊膜類)、グロッソプテリス(裸子植物)などとともに大陸移動説の確固たる証拠となった。リストロサウルス自体は三畳紀前期で姿を消すものの(故にかれらは三畳紀前期の示準化石となっている)、ディキノドン類は大型植物食動物として三畳紀後期まで繁栄を続けていた。
一方の獣歯類では、ゴルゴノプス類が絶滅したものの、テロケファルス類とキノドン類が生き延びていた。テロケファルス類自体は大きく衰退したものの、そこから派生したバウリア上科は高度に植物食に適応していった。またキノドン類は後に哺乳類が現れるグループである。
多くはペルム紀の残存勢力というかたちではあったが、三畳紀の単弓類もまた生態系を構築するうえで必要不可欠な存在だった
初期の単弓類は、盤竜類というグループにまとめられている。この中にはディメトロドンやエダフォサウルスなどといった生物が属している。現在知られうる最古の盤竜類(同時に最古の単弓類でもある)は、石炭紀後期ペンシルベニア紀に生きたアーケオシリスおよび Clepsydrops などである。これらは、現生のイグアナなどと大差ない外観の生物であった。彼ら盤竜類は初期竜弓類と比較して大きく開く強い顎や後述する異歯性など餌の摂食において有利に働く特徴を備えており、これもあってか単弓類は竜弓類に先駆けて陸上での大型化や放散を果たし、有羊膜類としては、成功を収めた初のグループとなる。現在の北アメリカ大陸、主にテキサス州から多数の化石が出土している。石炭紀後期には高度に植物食に適応したエダフォサウルスが出現、そしてペルム紀前期、強力な捕食動物であるディメトロドンが現れた。彼らの繁栄の頂点はこの頃であった。その原因は不明ながらも(何らかの地球規模の環境変化の影響を受けたと推測される)盤竜類はペルム紀中期には勢力が著しく衰退しており、ペルム紀後期にはその姿を消している。これら盤竜類の形態は、祖先の原始的な有羊膜類のものを色濃く受け継いでおり、現在の哺乳類からはかなり異なっている。しかし、生える場所によって歯の形態が異なる異歯性が現れ始めているなど、哺乳類的な特徴は見られる。