thumb|Opvallende overeenkomsten tussen het skelet van een mens en dat van een gorilla thumb|Een cladogram van de evolutie van de Tetrapoda met een aantal bekende overgangsfossielen. Beginnend onderaan met de basale vis Eusthenopteron, vervolgens Panderichthys, Tiktaalik, Acanthostega, Ichthyostega en bovenaan Pederpes, een tetrapode ofwel viervoeter
Wetenschappelijke argumenten voor biologische evolutie, oftewel bewijzen voor evolutie, worden geleverd door verschillende wetenschappelijke vakdisciplines. Daarin wordt beargumenteerd dat natuurlijke selectie het mechanisme is waardoor adaptatie, soortvorming en biodiversiteit ontstaan, en dat alle soorten een gemeenschappelijke voorouder hebben. Het empirisch bewijs ondersteunt de "moderne synthese": dit is de combinatie van darwinisme en genetica die een tegenwoordig algemeen geaccepteerde verklaring geeft voor het ontstaan van verschillende levensvormen. Binnen de evolutiebiologie worden hypothesen opgesteld. Door middel van waarnemingen worden deze hypothesen bevestigd of weerlegd, wat bewijs oplevert aangaande hun juistheid.
De morfologie en de vergelijkende anatomie laten zien dat vele soorten in hun lichaamsbouw nauwe verwantschap vertonen; bijvoorbeeld alle ongeveer 6400 soorten zoogdieren hebben hetzelfde bouwplan. De embryologie bevestigt dit door bestudering van de ontwikkeling van individuen.
Uit biochemisch onderzoek en de moleculaire biologie blijkt dat al het leven op Aarde gebaseerd is op erfelijke eigenschappen opgeslagen in de moleculen DNA. Vele essentiële eiwitten worden gedeeld door zeer uiteenlopende organismen. De genetica en de populatiebiologie laten zien hoe mutaties ontstaan, selectief doorgegeven worden bij concurrentie binnen de soort, populaties veranderen en soorten kunnen ontstaan. Natuurlijke selectie na mutaties is waargenomen in de natuur en het laboratorium.
Uit de opeenvolging van fossielen in lagen van oplopende ouderdom blijkt dat het leven op de Aarde door de tijd heen sterk is veranderd. Sommige tegenwoordig levende soorten zijn veel ouder dan andere: de mens is een van de jongere soorten, veel reptielensoorten zijn erg oud. De paleontologie is in staat gebleken aan de hand van fossiele vondsten een vrij gedetailleerde evolutionaire stamboom te reconstrueren. Tegenwoordig zijn er in bouw sterk verschillende diergroepen en zijn er fossiele overgangsvormen bekend, zoals Tiktaalik, Acanthostega, Ichthyostega, Eohippus, Australopithecus afarensis ("Lucy"), Kenyanthropus platyops, Archaeopteryx en Confuciusornis. De zogenoemde "levende fossielen" zoals coelacanten, degenkrabben en brughagedissen, bleken restanten van vroeger veel soortenrijkere groepen.Dawkins, Richard: Het grootste spektakel ter wereld, Ned. vert. van The greatest show on earth, Coyne, J.A.: Why evolution is true, Oxford, Oxford University Press 2009
Charles Darwin thumb|Tijdens de reis van de Beagle verzamelde Charles Darwin tal van exemplaren die later de evolutietheorie ondersteunden. Reeds eind 18e en begin 19e eeuw was voor wetenschappers steeds meer duidelijk geworden dat de dode natuur en de levende natuur onderworpen leken aan gestage, alsmaar voortdurende veranderingen, waarvan de effecten vaak niet tijdens een enkel mensenleven waarneembaar waren. Het natuurlijke landschap was onderhevig aan processen van erosie en ook werden in oude aardlagen fossiele resten gevonden van voorheen onbekende, uitgestorven diersoorten. Dit stond haaks op de religieuze leer dat de Aarde en het leven op Aarde gewoonweg onveranderlijk zijn zoals ze ooit werden geschapen.
De Britse geoloog en bioloog Charles Darwin was later in de 19e eeuw de eerste die uitgebreid en nauwkeurig een evolutietheorie in de moderne zin opstelde, met natuurlijke selectie als hoofdmechanisme. Alfred Russel Wallace kwam later onafhankelijk ook op het idee van natuurlijke selectie, wat Darwin dwong tot een allereerste gezamenlijke publicatie. Bovendien was Darwin de eerste die de evolutie systematisch met wetenschappelijk bewijs heeft onderbouwd. Dit maakt hem de pionier van de moderne evolutiebiologie. Zijn werken hebben tot een paradigmaverschuiving geleid in de wetenschappelijke gemeenschap.
Darwin ontwikkelde zijn ideeën geleidelijk tijdens een Britse wetenschappelijke expeditie rond de wereld, de reis van de Beagle (1831–1836). Daarbij onderzocht hij vooral natuur en geologie, en ontdekte veel nieuwe soorten, zowel planten als dieren, die hij uitgebreid beschreef en verzamelde. Op de Galápagos viel het hem op dat de reuzenschildpadden daar per eiland net iets verschilden. Dat bracht hem op de gedachte dat door geografische barrières aparte soorten tot ontwikkeling konden komen. Bij thuiskomst zou hij beseffen dat de op dezelfde eilanden voorkomende darwinvinken daar ook een mooi bewijs van vormden. Voor een dergelijke 'transmutatie van soorten', zoals het toen heette, zou veel tijd nodig zijn.
Darwin ging er echter van uit dat de Aarde zeer, of oneindig oud was, omdat hij een aanhanger was van de geoloog Charles Lyell, die langzame, uniforme veranderingen in de gesteldheid van het aardoppervlak aannam. Zo'n ouderdom had Darwin tijdens zijn reis bevestigd gezien: hij vond zeefossielen duizenden meters boven zeeniveau en hij redeneerde dat het niet door een zondvloed kwam, maar door de geleidelijke verhoging van de ondergrond.
Tijdens een lezing van het werk van Thomas Malthus besefte Darwin dat de individuen van een bepaalde populatie elkaars concurrenten waren, die ieder een zo groot mogelijk beslag probeerden te leggen op schaarse hulpbronnen, zodat tijdens deze strijd om het bestaan de sterksten overleefden. Dat werkte hij uit tot het begrip 'natuurlijke selectie'.
In zijn magnum opus On the Origin of Species, gepubliceerd in 1859, onderbouwde hij de evolutietheorie aan de hand van diverse onderwerpen en vakdisciplines, zoals variëteiten, gevonden fossielen, geografische verspreiding, morfologie, rudimentaire structuren, kunstmatige selectie en de embryologie.
Anatomie Vergelijkende anatomie thumb|Het bouwplan van bijvoorbeeld gewervelden is homoloog. Bewijs voor evolutie en de verwantschap tussen verschillende soorten kan vanuit de vergelijkende anatomie komen. Darwin noemde het voorbeeld van de menselijke hand, met exact dezelfde positionering van botten als onder andere in de graafklauw van de mol en de vleugel van de vleermuis. Anatomische overeenkomsten worden dan gezien als een geval van homologie: de gelijkenis in vorm duidt erop dat het om een enkel onderliggend kenmerk gaat dat twee soorten geërfd hebben van een gezamenlijke voorouder.
Embryologisch gezien (dus gekeken naar de ontwikkeling van het lichaam in het embryonale stadium) ziet men zelfs dat dieren waarvoor bepaalde anatomische structuren geheel nutteloos zijn, in hun embryonale fase toch de aanleg ervan ontwikkelen. Een walvis heeft bijvoorbeeld een zeer minimaal ontwikkeld bekken. Het wordt niet gebruikt, maar toch is het aanwezig. Een menselijke foetus heeft in een bepaald embryonaal stadium kieuwbogen. Dergelijke structuren worden rudimentair genoemd.
Embryologie thumb|Jonge embryo's van verschillende soorten vertonen enkele overgeërfde kenmerken, zoals de staart bij deze menselijke foetus. Men is er zich al lange tijd van bewust dat de embryologie belangrijke aanwijzingen bevat voor de evolutie van organismen. Ernst Haeckel (1834-1919) ging aan het eind van de 19e eeuw zelfs zo ver te stellen dat de ontogenetische ontwikkeling van organismen een exacte weergave was van hun evolutie. Volgens Haeckels illustraties waren de vroege ontogenetische fasen tussen verschillende groepen gewervelde dieren nagenoeg gelijk. Haeckel formuleerde hierop zijn recapitulatietheorie, die stelde dat de ontogenie (de ontwikkeling van het individu) een korte en snelle herhaling (recapitulatie) is van de fylogenie (de evolutie van de soort).
De recapitulatietheorie wordt tegenwoordig als achterhaald beschouwd. Dat neemt nog niet weg dat men veel over het evolutionaire verleden kan afleiden uit embryologische gegevens. Overeenkomsten in de verschillende stadia van het embryo en de foetus zijn terug te leiden op een gemeenschappelijke afstamming. Zo kan men uit het delingspatroon van de cellen afleiden welke groepen ongewervelden het nauwst verwant zijn aan de gewervelde dieren. Tot de Deuterostomia behoren naast de gewervelde dieren verschillende groepen chordaten en ook de stekelhuidigen. De verschillende groepen chordaten worden weer verbonden door het bezit van een chorda, althans in een vroeg stadium van hun ontogenetische ontwikkeling.
Nog recenter onderzoek geeft aanwijzingen hoe verschillende kenmerken zich hebben kunnen ontwikkelen. De zogenaamde hoxgenen, die alleen tijdens de embryonale ontwikkeling actief zijn, reguleren het ontstaan van verschillende macroscopische kenmerken zoals ledematen en lichaamsindeling. Men heeft ontdekt dat een klein verschil in het patroon van expressie van deze hoxgenen het verschil uit kan maken tussen het ontstaan van een vin of van een poot. Dit soort mechanismen staan centraal in het moderne vakgebied evo-devo, dat de relatie tussen ontwikkeling en evolutie onderzoekt.
In een evolutieproces kunnen alleen die kenmerken zich ontwikkelen die embryologisch mogelijk zijn. Individuele embryologische variatie komt zeer vaak voor, bijvoorbeeld dat een bestaand lichaamsdeel ontbreekt of vergroot is. Zeldzamer is dat op embryologisch niveau evolutie plaatsvindt. Belangrijke evolutionaire veranderingen in de lichaamsbouw van volwassen dieren kunnen al veroorzaakt worden door kleine wijzigingen in het embryologische ontwikkelingsproces. Soms verandert dat proces zelf fundamenteel. Enkele voorbeelden daarvan zijn: De oorsprong van de embryologie als zodanig: overgang van eencellige naar meercellige organismen. De ontwikkeling van symmetrie in de lichaamsbouw. Segmentering van lichaamsdelen - een sprekend voorbeeld is de duizendpoot, waarvan het lichaam in de lengterichting uit vele gelijke delen bestaat, maar de menselijke ruggengraat (inclusief de schedel) is ook een voorbeeld.
Rudimentaire structuren thumb|Menselijke oorschelpspieren ontwikkelen niet dezelfde beweeglijkheid als bij andere primaten. De pijlen geven het knobbeltje van Darwin aan.
Sterk en vrijwel direct bewijs voor evolutie wordt geleverd door rudimentaire structuren. Dit zijn bepaalde eigenschappen die hun functie grotendeels of helemaal hebben verloren. Ze zijn tijdens de evolutie nog niet volledig verdwenen, maar blijven onderontwikkeld. Deze organen waren nog wel functioneel bij voorouderlijke soorten. In tegenstelling tot atavismen zijn rudimentaire organen wel aanwezig in de meeste individuen van een soort.
Er zijn talloze voorbeelden van rudimentaire structuren bij organismen. Onder de dieren vertonen de walvissen rudimentaire ledematen, die bij hun verre landbewonende voorouders nog als achterpoten functioneerden. Sommige slangen hebben rudimentaire pootjes, tegenwoordig niet meer dan nauwelijks zichtbare uitsteeksels. Sommige vogelsoorten hebben zulke korte vleugels dat ze er niet meer mee kunnen vliegen. Er zijn ook vissen die in donkere grotten leven, waarbij de ogen hun functie hebben verloren.