La pleiotropia ha un significato per la teoria dell'evoluzione. È stato spesso affermato che alcune caratteristiche ereditabili degli animali non sono il prodotto dell'adattamento per selezione naturale. Molto di questo può essere spiegato dalla pleiotropia. Una forte selezione per uno o due aspetti della funzione genica porterà automaticamente alcuni altri tratti pleiotropici. Questi altri tratti, anche se ereditati, possono essere neutri o addirittura leggermente deleteri in termini di selezione.
La pleiotropia antagonista si riferisce all'espressione di un gene che risulta in molteplici effetti concorrenti, alcuni benefici ma altri dannosi per l'organismo. Sono possibili tre circostanze:
1. Contemporaneamente, un gene può causare tratti deleteri che sono controbilanciati dal valore di sopravvivenza dei tratti positivi.
2. Un gene può aumentare la fitness nell'organismo più giovane e fertile, ma contribuire a diminuire la fitness più tardi nella vita. Il contributo riproduttivo nelle fasi più giovani della vita assicurerà la diffusione di tale gene.
3. Un gene può aumentare la fitness in alcuni habitat, ma non in altri. La sua sopravvivenza nella popolazione è quindi bilanciata. Un esempio è un gene batterico che aumenta l'uso del glucosio a spese della capacità di usare altre fonti di energia (come il lattosio). Questo ha effetti positivi quando c'è abbondanza di glucosio, ma può essere letale se il lattosio è l'unica fonte di cibo disponibile.
