Des espèces disparaissent, d'autres apparaissent en permanence. Des périodes de crise sont marquées par des extinctions massives d'espèces et de groupes systématiques, attestés par l'absence de fossiles correspondant dans les strates plus jeunes. Ces crises sont utilisées pour marquer des coupures dans les temps géologiques. La crise crétacé-paléocène est marquée par la disparition totale, il y a 65 millions d'années, des dinosaures, ammonites, de la majorité des espèces du plancton marin. On a fait de cette crise la limite entre les ères secondaires et tertiaire. Certaines formes, familles, genres, espèces (insectes, foraminifères, plantes à fleurs...) survivent à la crise. Ils se diversifient très rapidement dès le début du tertiaire (apparition, par exemple des primates) en occupant à nouveau toutes les niches écologiques.

L'échelle stratigraphique, couplée avec les mesures de radioactivité, permet de connaître le cadre temporelle de l'évolution de la vie. L'évolution est la seule explication scientifique qui rende compte des constats : unité, diversité du monde vivant et changements ayant eu lieu au cours des temps géologiques.

L'évolution implique une filiation entre les espèces ; les espèces actuelles dérivent d'ancêtres communs plus ou moins éloignés dans le temps ; une origine commune à toutes les espèces est hautement probable.

Des relations de parenté entre les êtres vivants peuvent être proposées à partir de l'étude de caractéristiques morphologiques, anatomiques et embryologiques d'organismes actuels et fossiles. La recherche des parentés s'appuie également sur des comparaisons, au niveau moléculaire, de séquences de gènes homologues ou de produits de l'expression de ces gènes. La prise en compte des résultats obtenus par ces diverses méthodes contribue à établir des phylogénies.

Des accidents génétiques sont source d'innovations :

Les mutations jouent un rôle fondamental et sont à l'origine des différents allèles d'un gène ; typiquement spontanées, non orientées, elles interviennent avec une faible fréquence mais peuvent toucher de nombreux gènes et devenir plus nombreuses sous l'influence de certains facteurs du milieu.

Des duplications géniques peuvent intervenir et une évolution divergente des duplicata produits peut expliquer l'apparition de gènes nouveaux.

Des gènes nouveaux peuvent aussi résulter de la duplication et de la réassociation de fragments de gènes préexistants.

La reproduction sexuée, en assurant la transmission aléatoire des allèles et gènes nouveaux, favorise les combinaisons allèliques originales.

Les innovations génétiques peuvent se traduire ou non dans le phénotype. Si certaines mutations sont neutres, d'autres s'expriment et peuvent même avoir des conséquences importantes, surtout si ce sont des gènes du développement qui sont touchés.

La sélection naturelle, s'exerçant sur des populations soumises à des conditions de milieu différentes, privilégie la conservation des allèles ou associations allèliques favorables dans les conditions écologiques du moment.

La spéciation ou naissance d'espèces nouvelles à partir d'une espèce-mère implique l'isolement reproductif entre des populations de l'espèce-mère considérée. L'isolement reproductif, donc la spéciation, peut résulter de modifications génétiques indépendantes du milieu, ou d'une divergence génétique lors de la séparation géographique de populations de la même espèce. Une grande parenté existe entre le matériel génétique de l'homme actuel et celui des singes anthropomorphes. Elle induit l'idée qu'il existe entre eux des relations phylogénétiques. Une modification de certains gènes de régulation, en relation avec des changements d'habitat, pourrait être intervenue dans l'évolution humaine.

Des méthodes permettent de reconstituer les paléo-environnements dans lesquels la lignée humaine à évolué au quaternaire.

L'hominisation est l'acquisition progressive des caractéristiques morphologiques, anatomiques, culturels de la lignée humaine, ainsi que du langage. Les caractères, morphologiques, anatomiques, culturels qui distinguent l'homme se sont mis en place à travers l'individualisation rapide de formes humaines : certains australopithèques, homo habilis, homo erectus, homo sapiens.

La radioactivité de certains minéraux des roches permet de calculer leur âge absolu. L'ensemble du système solaire, dont la terre, s'est formé il y a 4,5 milliards d'années ? Constituée progressivement par accrétion, la terre s'est différenciée en enveloppes concentriques selon la densité de ses constituants. Un dégazage de la planète, la condensation de l'eau, donnent naissance à l'hydrosphère et à une atmosphère dépourvue de dioxygène mais riche en dioxyde de carbone. Quelle que soit l'origine (terrestre ou extraterrestre) , la terre primitive était riche en molécules prébiotiques. Le mécanisme du passage de ces molécules à la cellule est encore très problématique. L'apparition des premiers êtres vivants - probablement des bactéries - attestée notamment par les roches auxquelles ils ont donné naissance, a lieu dans l'hydrosphère. Le dioxyde de carbone atmosphérique est progressivement fixé par les êtres vivants. La photosynthèse apparaît et produit du dioxygène, d'abord fixé dans les roches puis libéré dans l'atmosphère. La composition de celle-ci est ainsi modifiée. Une partie du dioxygène libéré forme de l'ozone, constituant progressivement en haute atmosphère une couche qui protège les êtres vivants des rayons ultra-violets à courte longueur d'onde. L'augmentation du taux atmosphérique de dioxygène jusqu'au niveau actuel permet la respiration aérienne. Une liaison étroite existe entre les premiers stades de l'évolution des êtres vivants et les modifications de l'atmosphère terrestre.