Fossiilit tarjoavat kronologista näyttöä menneistä eliömuodoista ja niiden muutoksista ajan kuluessa. Siirtymäfossiilit, kuten Tiktaalik, näyttävät välivaiheen ominaisuuksia esi- ja jälkeläislajien välillä. Radioaktiivinen ajoitus, kuten hiili-14-menetelmä, mahdollistaa fossiilien iän määrittämisen.

Modernin synteesin aikakausi 1930-1940-luvuilla yhdisti Darwinin evoluutioteorian Mendelin genetiikkaan. Se loi yhtenäisen käsityksen evoluutiosta selittämällä, miten geenit ja alleelit vaikuttavat perinnöllisyyteen, miten mutaatiot luovat geneettistä vaihtelua ja miten populaatiogenetiikka tutkii vaihtelun muutoksia ajan myötä.

Uusien lajien synty tapahtuu, kun populaatiot eristäytyvät lisääntymiskyvyltään. Allopatrisessa lajiutumisessa maantieteelliset esteet jakavat populaatiot, kun taas sympatrisessa lajiutumisessa eriytyminen tapahtuu ilman fyysistä eristystä polyploidian, elinympäristöjen muutoksen tai seksuaalisen valinnan vuoksi.

Vertailuanatomia tutkii lajien rakenteellisia samankaltaisuuksia ja eroja. Homologiset rakenteet, kuten ihmisen, valaan ja lepakon eturaajat, periytyvät yhteisestä esi-isästä. Analogiset rakenteet, kuten hyönteisten ja lintujen siivet, palvelevat samankaltaisia toimintoja mutta niillä on erilainen evolutiivinen alkuperä.

Evoluution ymmärtäminen auttaa rokotekeinojen kehittämisessä ennustamalla virusten mutaatioita sekä syöpätutkimuksessa ymmärtämällä kasvainten evoluutiota ja kehittämällä tehokkaampia hoitostrategioita. Antibioottiresistenssi on suora esimerkki evoluutiosta, jossa mutaatioita omaavat bakteerit selviytyvät ja lisääntyvät.