Le second groupe important de mammifères australiens est celui des marsupiaux, qui élèvent leurs petits dans une poche ventrale.

Dans l'ensemble endémique à l'Australie, ce groupe de près de 120 espèces comprend certains des animaux les plus connus et reconnaissables du pays: kangourous, wallabies, koalas, wombats et opossums, ainsi que d'autres espèces moins connues, comme les nombreux bandicoot, les rats et souris marsupiaux(bush mice), les dyasures ou chats marsupiaux (quolls) et les tigres de Tasmanie ou thylacines, aujourd'hui supposés disparus.

Les marsupiaux peuvent être considérés comme une forme intermédiaire entre les monotrèmes ovipares et les mammifères placentaires, qui donnent naissance à des fœtus  suffisamment développes pour mener assez rapidement une existence autonome. Les embryons des marsupiaux minuscules à la naissance et doivent passer un temps considérable dans la poche marsupiale de la mère avant d'arriver à maturité.