Rozwój ewolucjonizmu jako dziedziny był i jest bezpośrednio związany z postępami biologii molekularnej i biochemii.
W 1952 F. Sanger wraz ze współpracownikami opracowali metodę pozwalającą na sekwencjonowanie białek. Porównanie sekwencji insuliny przedstawicieli różnych gatunków, pozwoliło na sformułowanie pewnych wniosków dotyczących dystrybucji różnych podstawień (substytucji) aminokwasów (ich liczba wzrasta wraz z odległością filogenetyczną). Ustalono, że istnieje pozytywna korelacja pomiędzy czasem dywergencji (odnośnik) a stopniem zróżnicowania białek. Uświadomiono sobie, jak dużo do badań nad ewolucja mogą wnieść dane dostarczane przez biochemików i biologów molekularnych.
Lata sześćdziesiąte okazały się bardzo owocne dla rozwoju ewolucjonizmu. Powstało wówczas wiele podstaw teoretycznych. Jedną z nich jest: koncepcja zegara molekularnego (odnośnik), zaprezentowana w 1965 roku przez Zuckerhandla i Paulinga. Bezpośredni wpływ na powstanie tej koncepcji miał rozwój metod analizy sekwencji białkowych. W oparciu o sekwencję aminokwasową cząsteczki cytochromu C, ustalono liniową zależność między czasem rozszczepienia się linii ewolucyjnej a stopniem zróżnicowania molekularnego. Drugą istotną teorią powstałą w latach sześćdziesiątych była, sformułowana przez Kimurę w 1968 roku, hipoteza neutralnych mutacji (odnośnik). Według tej teorii większość podstawień (substytucji) nukleotydów w genomie nie wpływa na dostosowanie, jest neutralna. Tylko nieznaczny ułamek wszystkich substytucji jest usuwany przez dobór, gdy obniża to dostosowanie lub utrwalany w populacji jeśli zmiana jest korzystna.
Wraz z początkiem lat siedemdziesiątych nastąpił prawdziwy rozkwit ewolucjonizmu molekularnego, jako oddzielnej dziedziny biologii. Needleman i Wunsch opracowali doskonały (stosowany do dziś) algorytm pozwalający na porównywanie sekwencji (ang. alignment), Cavalli-Sforza i Nei dokonali olbrzymich postępów w badaniu dystansu genetycznego (odnośnik). Dokonania Felsensteina w dziedzinie tworzenia drzew filogenetycznych, pozwoliły na rozwój filogenetyki molekularnej. Dodatkowo dynamicznie rozwijająca się biologia molekularna dostarczyła wielu technik, które bardzo szybko znalazły uznanie wśród ewolucjonistów molekularnych. Do najważniejszej z nich należy sekwencjonowanie DNA. Dziś można sekwencjonować DNA na niemalże przemysłową skalę, co znacznie ułatwia analizy ewolucyjne na podstawie różnic w sekwencjach.
Ale nie tylko rozwój nauk biologicznych przyczynił się do rozwoju ewolucjonizmu molekularnego. Boom komputerowy z początku lat osiemdziesiątych miał niebagatelny udział w wytyczaniu nowych ścieżek podczas kształtowania się tej nowej dziedziny. Dziś nikt, kto zajmuje się analizą sekwencji białek lub DNA, nie mógłby pracować bez szybkiego komputera. Również dokonania w zakresie sieci komputerowych znacznie ułatwiły prace ewolucjonistów. Dostęp do setek tysięcy sekwencji w Internecie znacznie ułatwia wnikliwe analizowanie pokrewieństwa na ich podstawie.
