Les monotrèmes sont un groupe de mammifères qui forment l'ordre des Monotrèmes. Les monotrèmes sont les seuls mammifères qui pondent des œufs, mais ils nourrissent également leurs bébés avec du lait.
Le mot "monotreme" fait référence à leur ouverture arrière commune, le cloaque. Chez les amphibiens, les reptiles, les oiseaux et probablement tous les premiers tétrapodes, il y a une ouverture commune pour l'urine, la reproduction et les fèces.
Les monotrèmes sont dérivés de mammifères plus anciens que les marsupiaux et les euthériens, mais leurs fossiles sont peu nombreux.
L'époque à laquelle la lignée de monotrème a divergé des autres lignées de mammifères est incertaine, mais une étude des études génétiques donne une estimation d'environ 220 millions d'années. Il s'agit du Trias supérieur. Les fossiles d'un fragment de mâchoire vieux de 110 millions d'années ont été trouvés à Lightning Ridge, en Nouvelle-Galles du Sud. Cela signifie qu'ils sont apparus jusqu'à 100 millions d'années avant les Metatheria ou Eutheria, ce sont donc bien des "fossiles vivants".
La ponte et le cloaque sont des caractéristiques primitives ("basales") héritées des tétrapodes synapsidiques antérieurs.
Mais les monotrèmes ont aussi d'autres caractéristiques comme la production de lait, les soins aux petits dans les terriers, l'homéothermie et un néocortex dans le cerveau. Ce sont des caractéristiques avancées ("dérivées") qu'ils partagent avec les placentaires et les marsupiaux. Ce mélange de caractéristiques basales et dérivées est caractéristique de la façon dont les différentes parties du corps évoluent souvent à des rythmes différents. C'est ce qu'on appelle l'évolution en mosaïque.
Chez les mammifères, un groupe monophyle, il y avait plusieurs lignées différentes vivant en même temps, du Trias supérieur au Crétacé supérieur. Chacune de ces lignées présentait un mélange de caractéristiques basales et dérivées jusqu'à ce que, enfin, les mammifères placentaires développent toute la suite de caractères dérivés. Cela leur donnait un grand avantage sur les autres groupes partout où il y avait une concurrence ouverte. Cependant, en raison de leur longue isolation dans les continents du sud, certains des monotrèmes et des marsupiaux ont survécu.
Il existe deux familles de monotrèmes survivantes, avec cinq espèces vivantes. Elles vivent toutes en Australie et en Nouvelle-Guinée. Les gens les appellent communément l'ornithorynque et le fourmilier épineux. Il n'existe plus qu'un seul ornithorynque, l'ornithorynque à bec de canard. Les quatre autres sont les fourmiliers à épines, ou échidnés.