Ewolucja molekularna – proces ewolucji dokonujący się na szczeblu DNA, RNA i białek.
Rozwój biologii molekularnej pozwolił na badanie filogenetycznych powiązań pomiędzy organizmami na podstawie porównywania sekwencji ich DNA lub RNA.
Mechanizmy Teorii wyjaśniających ewolucję molekularną jest kilka. Główne a zarazem przeciwstawne względem siebie to mutacjonizm i neutralizm. Mutacjonizm został zapoczątkowany przez genetyka Thomasa Morgana, który zajął krytyczne stanowisko wobec mechanizmu doboru naturalnego zaproponowanego przez Charlesa Darwina. Morgan odrzucił elementy lamarkizmu wprowadzone do dzieła "O powstawaniu gatunków" w wydaniu z 1872 roku, a za najważniejszy czynnik ewolucji uznał występowanie korzystnych mutacji. W mutacjonizmie dobór naturalny jest jedynie sitem pozwalającym odsiać korzystne mutacje od pozostałych. Słabym punktem teorii Morgana jest niewielki udział mutacji korzystnych w ich ogólnej liczbie. Alternatywny mechanizm ewolucji zaproponował Motoo Kimura. Naukowiec sugeruje, że główną przyczyną zmian ewolucyjnych na poziomie molekularnym są raczej losowe fiksacje selekcyjnie obojętnych lub niemal obojętnych mutacji, niż pozytywny dobór naturalny.