L'evoluzione molecolare è il processo di evoluzione di DNA, RNA e proteine.
L'evoluzione molecolare è emersa come campo scientifico negli anni '60, quando i ricercatori di biologia molecolare, biologia evolutiva e genetica delle popolazioni hanno cercato di capire la struttura e la funzione degli acidi nucleici e delle proteine. Alcuni dei temi chiave sono stati l'evoluzione della funzione degli enzimi, l'uso dei cambiamenti degli acidi nucleici come orologio molecolare per studiare la divergenza delle specie, e l'origine del DNA non funzionale o spazzatura.
I recenti progressi nella genomica, incluso il sequenziamento dell'intero genoma, e la bioinformatica hanno portato ad un drammatico aumento degli studi sull'argomento. Negli anni 2000, il ruolo della duplicazione dei geni, l'estensione dell'evoluzione molecolare adattativa contro la deriva genetica neutrale, e l'identificazione dei cambiamenti molecolari responsabili di varie caratteristiche umane, specialmente quelle relative all'infezione, alla malattia e alla cognizione.