分子进化研究利用进化生物学和群体遗传学的原理来解释变化的类型，了解物种之间的系统发育关系和生物大分子的进化历史，获得突变热点，对相关功能进行预测。分子进化的模式包括DNA突变、单个基因复制或者丢失、染色体片段复制、缺失、倒位、基因组复制。

核酸进化指的是基因组在一定的时间范围内发生的序列和长短上的改变。核酸进化研究包括对基因组进行结构分析，基因和原始基因组复制，比较基因组学研究等。原核生物基因组的进化机制包括突变和水平基因转移，基因数目是影响基因组大小的主要因素。真核生物的基因组比原核生物大，其基因组进化机制有很多种，其中一种是有性繁殖，可以引入更多的基因多样性。

蛋白质的进化包括两步，编码氨基酸的核酸发生变异，新变种在群体中的固定。固定的可能性取决于变异的适应效应。在蛋白质的分子进化研究中，确定蛋白进化速率是最有力、最普遍的研究工具，可以量化“选择”和“遗传漂变”的相对重要性。进化速率指利用进化时间去除来源于同一祖先的序列之间的进化距离（每个位点的取代数目）。对蛋白的分子进化进行研究可以加速对蛋白功能位点的确认，获得人类基因疾病相关的多肽信息，药物作用靶点和蛋白相互作用伴侣，还可以用于研究物种形成、衰老和社会生活模式的进化。