Evoluția moleculară este procesul de evoluție a ADN-ului, ARN-ului și proteinelor.
Evoluția moleculară a apărut ca domeniu științific în anii 1960, când cercetătorii din domeniul biologiei moleculare, biologiei evolutive și geneticii populațiilor au încercat să înțeleagă structura și funcția acizilor nucleici și a proteinelor. Unele dintre subiectele cheie au fost evoluția funcției enzimelor, utilizarea modificărilor acizilor nucleici ca ceas molecular pentru a studia divergența speciilor și originea ADN-ului nefuncțional sau junk.
Progresele recente în genomică, inclusiv secvențierea genomului întreg și bioinformatica, au dus la o creștere spectaculoasă a studiilor pe această temă. În anii 2000, rolul duplicării genelor, amploarea evoluției moleculare adaptative față de deriva genetică neutră și identificarea modificărilor moleculare responsabile pentru diverse caracteristici umane, în special cele referitoare la infecții, boli și cogniție.