合弓类的头颅侧面的眼窝后面，各演化出一个颞颥孔。颞颥孔可能用来让下颌肌肉附着在上面。

有些合弓动物（包括哺乳类）可能是温血动物；但早期合弓类（例如盘龙目）可能大部分是冷血动物。

如同哺乳类，合弓类动物的表皮缺乏鳞片，具有皮腺；盘龙目的腹部具有鳞片，如同原始四足类。但在构造上，盘龙目的鳞片是由真皮形成的，与爬行动物的鳞片并不相同。由于化石很少保存软组织，还不清楚哺乳动物何时演化出毛发与乳腺。在外表上，盘龙目看起来像是没有鳞片的爬行动物，没有毛发与鳞片。后期的犬齿兽类已具有次生颚、直立的四肢步态、高代谢率…等现代哺乳类的特征，显示它们至少在这个阶段已演化出毛发，以隔绝热量。某些兽孔目化石的皮肤痕迹，也证实毛发的存在。

合弓类是第一群演化出不同形态牙齿的四足动物。这些不同牙齿包括犬齿、臼齿、以及门齿。早期合弓动物有多块下颌骨头。随者它们的演化，这些下颌骨头缩小，并且逐渐移入耳内，形成中耳的骨头。

大部分古动物学家根据下颌特征，来分辨合弓动物与爬行动物。许多科学家也根据下颌的特征变化，来分辨合弓类演化至哺乳类的各个阶段。史前与现代爬行动物的下颌是由多块小骨头构成，而现代哺乳动物的下颌是由一块齿骨构成。

哺乳动物的颌关节是由齿骨、鳞状骨相接而成，齿骨连结至鳞状骨上的关节盂（Glenoid cavity）。其他的有颌类脊椎动物（包含爬行动物与合弓类）的颌关节，是由下颌的关节骨与头部的方骨相接而成。在合弓类演化成哺乳类的过程中，下颌的骨头渐少，最后只剩下齿骨；下颌不再连接至鳞状骨，改连接至方骨、以及往后退的关节骨。

在合弓类演化成哺乳类的过程中，合弓类演化出次生颚，分隔口腔与鼻腔。早期合弓类的上颌骨两侧已具有初步的次生颚，形状成U形，口腔与鼻腔仍然连接。晚期合弓类的次生颚逐渐成C形，将口腔、鼻腔分隔，`形成腭骨。上颌骨也完全的愈合。在一个早期的真兽孔类化石中，已见初步的次生颚。后期的三尖叉齿兽，已具有完全闭合的次生颚。

始祖单弓兽（Archaeothyris）与Clepsydrops是已知最早的合弓类动物。它们属于盘龙目，存活于石炭纪的宾夕法尼亚纪。盘龙目是第一群成功的羊膜动物，散布各地并多样化发展，直到它们成为晚石炭纪到早二叠纪陆地上的优势动物。它们通常被分为两支：真盘龙亚目、卡色龙亚目。它们的体积庞大、四肢成躺卧状态、冷血、小的脑部。它们是那个时代陆地上最大的动物，可达3米长。有些物种，像是异齿龙，拥有大型帆状物可以帮助提升他们体温。大部分盘龙类在二叠纪晚期之前消失，少数残存的类群存活到二叠纪晚期。

兽孔目是一群更为进步的单弓类动物，出现在二叠纪前半期，并且成为二叠纪后半期的陆地优势动物。它们成为优势动物两次：一次在二叠纪，一次在新生代。到二叠纪中期到晚期为止，它们是最多样性与大量生存的动物，包括草食性、肉食性，体型从小如老鼠（例：罗伯特兽），体型大的可以以公吨计算（例：麝足兽）。在繁荣了数百万年之后，这些成功的动物几乎因为2亿5百万年前的二叠纪-三叠纪灭绝事件而灭绝了，这个地球历史上最大的生物灭绝事件，可能跟西伯利亚地盾火山爆发事件有关。

在二叠纪-三叠纪灭绝事件后的短暂时间里，水龙兽成为最常见的单弓动物

在二叠纪-三叠纪灭绝事件之后，没有盘龙目幸存，只有少数兽孔目存活下来，并且成功在三叠纪早期存活者，包括：水龙兽、犬颌兽，后者出现在早三叠纪晚期，它们与早期主龙类（原先被命名为槽齿目，这项目不在现代分类法中使用）同时存在。有些早期主龙类，如派克鳄，是小型而轻快的动物；其他如引鳄，可以比最大的兽孔目动物还大。

三叠纪的兽孔目包括三个生物群。喙状嘴的草食性二齿兽类（例如：水龙兽与它的后代肯氏兽），有些物种可身长到以公吨计算。越来越类似哺乳类的犬齿兽类，分草食性、肉食性、食虫性，包括出现在奥伦尼克阶的真犬齿兽类，早期的代表是犬颌兽。第三种是兽头类，仅存活到早三叠纪。

犬颌兽，三叠纪最大型的犬齿兽类掠食者

在三叠纪时期，犬齿兽类的体型逐渐的变小，并且更类似哺乳类，跟体积仍然大的二齿兽类不同。最小、最进化的犬齿兽类只有鼩鼱般大小，生存在晚三叠纪的卡尼克阶，大约2亿2千万年前，成为哺乳类最早的祖先。

随者早期兽孔目－犬齿兽类－真犬齿兽类－哺乳类的阶段性进化，主要的下颌骨头，由邻近的骨头取代。所以，下颌逐渐形成只有一个大型骨头，几块小型的下颌骨头逐渐移动到内耳里，使得听觉更为灵敏。

因为气候变迁、植被改变、生态位竞争、或者以上总和，大部分的大型犬齿兽类（属于Traversodontidae科）与二齿兽类（肯氏兽科），在卡尼阶时代消失，在三叠纪-侏罗纪灭绝事件消灭所有大型非恐龙主龙类前。它们的生态位置被恐龙取代，恐龙在剩下的中生代时期成为优势陆地动物。存活下来的合弓动物很小，体型从鼩鼱到类似獾的强壮爬兽（Repenomamus）。

在侏罗纪与白垩纪期间，这些存活的非哺乳犬齿兽类非常小，例如：三瘤齿兽。没有任何犬齿兽类长得比猫还大。大多数侏罗纪与白垩纪的犬齿兽类是草食性的，有些是肉食性的。三棱齿兽科在侏罗纪末第一次出现。它们是肉食性动物，并且存活到侏罗纪中期。三瘤齿兽科跟三棱齿兽科同时出现，但为草食性，三瘤齿兽科在早白垩纪末期灭绝。二齿兽类被认为在侏罗纪末灭绝，但还是有证据显示这生物群存活者。新的化石已在冈瓦那大陆的白垩纪岩石中发现。这是个化石记录中忽隐忽现的物种的例子（俗称的拉撒路物种）。

有大约5,400个种的合弓动物存活者，它们现名为哺乳动物，包括水生（鲸鱼）、飞行（蝙蝠）动物，还有已知最大的生物（蓝鲸），以及人类。除了单孔目以外，大部分的哺乳动物已演化成胎生动物，直接产下幼体，而非产卵。

合弓动物进化成哺乳类的原因，被认为是因为逐渐繁盛的恐龙在夜晚并不占优势，因此合弓类必须在晚上行动。为了在夜间生存，原始的哺乳类必须在夜间增加它们的新陈代谢率以维持体温。这意味者更快地消耗食物（一般被认为是昆虫）。为了促进快速消化，原始的哺乳类演化出咀嚼与特化的牙齿来协助咀嚼。四肢也演化到身体底下，而不是身体两侧。这让原始哺乳类能更快改变方向以抓住小型猎物。与快速奔跑的猎食者相比，原始哺乳类改采机动性的策略。

合弓纲 Synapsida ——卡色龙亚目 Caseasauria ——真盘龙亚目 Eupelycosauria ——蜥代龙科 Varanopidae ——蛇齿龙科 Ophiacodontidae——基龙科 Edaphosauridae——楔齿龙类 Sphenacodontia ——楔齿龙科 Sphenacodontidae——兽孔目 Therapsida——巴莫鳄亚目 Biarmosuchia——始巨鳄Eotitanosuchus ——真兽孔类 Eutherapsida——恐头兽亚目 Dinocephalia——新兽孔类_缺齿亚目 Anomodontia ——兽齿类 Theriodontia_丽齿兽亚目Gorgonopsia——真兽齿类 Eutheriodontia——兽头亚目 Therocephalia_犬齿兽亚目 Cynodontia——Dvinia ——原犬鳄龙Procynosuchus——Epicynodontia ——三尖叉齿兽Thrinaxodon——真犬齿兽下目 Eucynodontia——犬颌兽Cynognathus ——三瘤齿兽科Tritylodontidae——Traversodontidae科——Probainognathia ——三稜齿兽科 Trithelodontidae——Chiniquodontidae科 ——Prozostrodon ——哺乳形类 Mammaliaformes ——哺乳纲 Mammalia