早在古希腊时代，类似演化的思想已经出现，例如阿那克西曼德认为人类祖先来自海中。到了18世纪与19世纪，就已经有许多关于生命起源来自***同祖先的观念。建立生物学的拉马克，是第一位为演化提出科学理论的科学家。而达尔文与华莱士所提出，以天择为主要机制的演化论，成为第一个具有说服力的解释。在达尔文发表著作并成名之后，有许多先前尚未发表，发展较少的类似理论被发现。此外，达尔文在当时还未知任何遗传机制，因此他无法解释为何不同世代具有不同特征。尤其当时流行子代的性状为两位亲代性状混合的概念，使得任何变异理论上似乎会逐渐消失。
孟德尔发现遗传性状的分离现象，解决了原本性状混合的难题，然而一开始却受到忽略。而且原本遗传学家并不接受达尔文的天择观念，而是以突变作为演化原动力。直至20世纪，数学家罗纳德?费雪、生物学家莱特（SewallWright）与霍尔登（J.B.S.Haldane）才建立了群体遗传学，并与演化论结合。再加上汤玛斯·摩根、特奥多修斯·多布然斯基、朱利安、赫胥黎、恩斯特·麦尔、乔治·辛普森、斯特宾斯（G.L.Stebbins）等人的研究，又称为新达尔文主义的现代综合理论在1920年到1940年代开始成形。
至于详细的遗传机制，则要等到埃弗里发现核酸为遗传物质，以及华生与克里克，根据富兰克林（RosalindFranklin）的研究，发表脱氧核糖核酸双螺旋结构，以及分子生物学的建立之后。
到了1960年代，许多生物学家开始以基因中心演化观点探讨演化过程。道金斯更认为，基因是唯一的天择单位。此外还有汉弥尔顿提出以利他行为为基础的亲属选择。与之同时，古尔德与艾崔奇对演化的速率重新诠释，提出疾变平衡论，认为生物的演化速度是长期的停滞与短暂的爆发所组合。之后演化生物学成形，并且发展出许多分支。 演化生物学是研究演化的主要学门，探讨物种的起源和改变，以及物种之间的亲缘关系。这些研究影响了传统的分类学，并导致系统分类学的出现。演化发育生物学（evo-devo）比较不同动物在发育过程中的变化，由此探讨它们之间的关系与演化过程。体质人类学专注于人类的起源与演化，并探讨人种的差异，又称为生物人类学。
为了更深入研究演化过程与机制的细节，许多相关的分支学门产生。例如生态遗传、人类演化、分子演化与种系发生。由于生物学是奠基在其它更基础的自然科学之上，因此数学、统计学、物理学与化学对于了解演化机制也相当重要。例如为基因流、基因漂变等现象提供数学模式的群体遗传学，研究在演化动力影响下，等位基因的分布和改变。
遗传算法则是应用演化与遗传的各种机制，并结合电脑的运算能力来解决许多问题。应用的层面包含工程、设计与通讯科技等。 有些演化研究专注在社会性生物上，称为社会演化学。例如汉弥尔顿提出亲属选择，解释利他行为与邪恶的存在。不久之后，艾德华·威尔森出版的《社会生物学：新综合》，解释了社会性生物的各种行为，并在最后讨论套用在人类行为的可能性。
1976年，道金斯在《自私的基因》一书中，认为人类的文化也能以演化解释 。他根据基因（gene）这个词，将文化的演化单位称为迷因（meme、在中文也被音译为迷米），类似遗传因子的基因，迷因为文化的遗传因子，也经由复制（模仿）、变异与选择的过程而演化。
社会演化学与迷因学的差异在于，社会演化仍然是一种基因中心观点，以遗传物质分子为天择单位，而迷因学则是以非基因的文化为天择单位。