Биологическая эволюция представляет собой процесс изменения признаков организмов в ряду множества поколений. До появления в начале XX века науки о наследственности — генетики — биологи не имели представления о том, какие механизмы отвечают за передачу признаков от родителей к их потомству. Генетические исследования показали, что признаки организмов определяются молекулами ДНК, которые передаются из поколения в поколение. Эти молекулы включают участки, называемые генами, которые отвечают за синтез белков, необходимых для роста и работы живых клеток. Гены также руководят развитием оплодотворенной яйцеклетки в многоклеточный организм. Таким образом, ДНК отвечает за неразрывную связь строения и функций живых организмов в ряду поколений.

Однако потомство далеко не всегда во всем похоже на своих родителей. Большинству организмов любого вида, включая человека, свойственна наследственная изменчивость. У видов, размножающихся половым путем, каждый из двух родителей передает потомству лишь половину наследственной информации (полный набор потомок получает в результате слияния сперматозоида отца и яйцеклетки матери), и при этом ДНК обоих родителей достается детям в разных новых сочетаниях. Кроме того, ДНК может меняться. Такие изменения называют мутациями. Они передаются из поколения в поколение, как у организмов, размножающихся половым путем, так и у тех, кому свойственно бесполое размножение (например, у бактерий).

Возникновение мутации в ДНК организма может приводить к разным последствиям. Мутация может вызвать изменение того или иного признака, вредное для организма, снижая его шансы выжить или оставить потомство по сравнению с другими организмами из его популяции. Но мутация может и никак не сказаться на жизнеспособности или репродуктивности (способности к размножению) организма. Наконец, мутация может привести к формированию признака, который позволит организму успешнее пользоваться ресурсами среды, тем самым повышая его способность выжить и произвести потомство. Например, у рыбы может произойти мутация, немного видоизменяющая строение ее плавников, что позволит ей легче передвигаться на мелководье (как это произошло у предков тиктаалика), у насекомого может слегка измениться окраска, благодаря чему оно станет менее заметным для хищников, у мушки — узор на крыльях или характер поведения при ухаживании, что позволит ей успешнее привлекать партнеров.

Если мутация повышает жизнеспособность организма, то он с большой вероятностью оставит больше потомства, чем другие организмы его популяции. Если мутация передастся его потомству, то число организмов, обладающих признаком, который дает преимущество перед другими, будет из поколения в поколение увеличиваться. Таким образом этот признак и содержащийся в ДНК наследственный материал, отвечающий за него, будет распространяться в пределах данной популяции. Напротив, организмы, обладающие вредными мутациями, с меньшей вероятностью передадут свою ДНК будущим поколениям, и признак, определяемый этой мутацией, будет встречаться реже и может совсем исчезнуть из популяции. Эволюция состоит из изменений наследуемых признаков в популяциях организмов в ряду сменяющих друг друга поколений. Эволюционируют популяции, а не отдельные организмы.

Процесс, суть которого состоит в неравном репродуктивном успехе организмов, обладающих полезными и вредными признаками, получил название естественного отбора, потому что в ходе этого процесса естественным путем отбираются признаки, повышающие способность организмов выжить и оставить потомство. Естественный отбор может также, в свою очередь, сокращать встречаемость признаков, которые уменьшают способность выжить и оставить потомство. Искусственный отбор представляет собой похожий процесс, но при таком отборе люди, а не среда обитания отбирают желательные признаки, намеренно размножая тех животных или те растения, которые ими обладают. Искусственный отбор лежит в основе создания всех форм домашних животных (например, пород собак, кошек и лошадей) и культурных растений (роз, тюльпанов, зерновых).