ตัวอย่างสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมส่วนใหญ่เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดเล็ก โดยเฉพาะอันดับค้างคาว และสัตว์ฟันแทะมีการจัดเก็บทั้งแบบตัวอย่างดอง ตัวอย่างผิวหนัง และตัวอย่างกะโหลก ประกอบด้วยตัวอย่างที่ลงทะเบียนแล้วรวมทั้งสิ้น 629 ตัวอย่างจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม 98 ชนิดในจำนวนนี้มีตัวอย่างต้นแบบของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชนิดใหม่ 7 ชนิด ได้แก่ ค้างคาวมงกุฎภูเขา (Rhinolophus monticolus Soisook et al., 2016) ค้างคาวมงกุฎสามใบพัดเทาดำ (Rhinolophus francisi thailandicus Soisook et al., 2015) ค้างคาวแวมไพร์แปลงทองอารีย์ (Eudiscoderma thongareea Soisook et al., 2015) ค้างคาวจมูกหลอดหูสั้นใต้ (Murina guilleni Soisook et al., 2013) ค้างคาวจมูกหลอดบาลา (Murina balaensis Soisook et al., 2013) ค้างคาวหน้ายักษ์สามหลืบญวน (Hipposideros alongensis sungi Thong et al., 2012) และ พญากระรอกบินลาว(Biswamopyopterus laoensis Sanamxay et a., 2013) นอกจากนี้ยังมีตัวอย่างสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่อยู่ในกระบวนการลงทะเบียนอีกจำนวนมาก นับได้ว่าคลังตัวอย่างสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมของพิพิธภัณฑสถานธรรมชาติวิทยา เป็นหนึ่งในคลังตัวอย่างอ้างอิงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดเล็กที่สมบูรณ์ที่สุดแห่งหนึ่งของประเทศไทย