早在古希臘時代，類似演化的思想已經出現，例如阿那克西曼德認為人類祖先來自海中。到了18世紀與19世紀，就已經有許多關於生命起源來自***同祖先的觀念。建立生物學的拉馬克，是第壹位為演化提出科學理論的科學家。而達爾文與華萊士所提出，以天擇為主要機制的演化論，成為第壹個具有說服力的解釋。在達爾文發表著作並成名之後，有許多先前尚未發表，發展較少的類似理論被發現。此外，達爾文在當時還未知任何遺傳機制，因此他無法解釋為何不同世代具有不同特征。尤其當時流行子代的性狀為兩位親代性狀混合的概念，使得任何變異理論上似乎會逐漸消失。
孟德爾發現遺傳性狀的分離現象，解決了原本性狀混合的難題，然而壹開始卻受到忽略。而且原本遺傳學家並不接受達爾文的天擇觀念，而是以突變作為演化原動力。直至20世紀，數學家羅納德?費雪、生物學家萊特（SewallWright）與霍爾登（J.B.S.Haldane）才建立了群體遺傳學，並與演化論結合。再加上湯瑪斯·摩根、特奧多修斯·多布然斯基、朱利安、赫胥黎、恩斯特·麥爾、喬治·辛普森、斯特賓斯（G.L.Stebbins）等人的研究，又稱為新達爾文主義的現代綜合理論在1920年到1940年代開始成形。
至於詳細的遺傳機制，則要等到埃弗裏發現核酸為遺傳物質，以及華生與克裏克，根據富蘭克林（RosalindFranklin）的研究，發表脫氧核糖核酸雙螺旋結構，以及分子生物學的建立之後。
到了1960年代，許多生物學家開始以基因中心演化觀點探討演化過程。道金斯更認為，基因是唯壹的天擇單位。此外還有漢彌爾頓提出以利他行為為基礎的親屬選擇。與之同時，古爾德與艾崔奇對演化的速率重新詮釋，提出疾變平衡論，認為生物的演化速度是長期的停滯與短暫的爆發所組合。之後演化生物學成形，並且發展出許多分支。 演化生物學是研究演化的主要學門，探討物種的起源和改變，以及物種之間的親緣關系。這些研究影響了傳統的分類學，並導致系統分類學的出現。演化發育生物學（evo-devo）比較不同動物在發育過程中的變化，由此探討它們之間的關系與演化過程。體質人類學專註於人類的起源與演化，並探討人種的差異，又稱為生物人類學。
為了更深入研究演化過程與機制的細節，許多相關的分支學門產生。例如生態遺傳、人類演化、分子演化與種系發生。由於生物學是奠基在其它更基礎的自然科學之上，因此數學、統計學、物理學與化學對於了解演化機制也相當重要。例如為基因流、基因漂變等現象提供數學模式的群體遺傳學，研究在演化動力影響下，等位基因的分布和改變。
遺傳算法則是應用演化與遺傳的各種機制，並結合電腦的運算能力來解決許多問題。應用的層面包含工程、設計與通訊科技等。 有些演化研究專註在社會性生物上，稱為社會演化學。例如漢彌爾頓提出親屬選擇，解釋利他行為與邪惡的存在。不久之後，艾德華·威爾森出版的《社會生物學：新綜合》，解釋了社會性生物的各種行為，並在最後討論套用在人類行為的可能性。
1976年，道金斯在《自私的基因》壹書中，認為人類的文化也能以演化解釋 。他根據基因（gene）這個詞，將文化的演化單位稱為迷因（meme、在中文也被音譯為迷米），類似遺傳因子的基因，迷因為文化的遺傳因子，也經由復制（模仿）、變異與選擇的過程而演化。
社會演化學與迷因學的差異在於，社會演化仍然是壹種基因中心觀點，以遺傳物質分子為天擇單位，而迷因學則是以非基因的文化為天擇單位。