La macroevoluzione consiste nella comparsa dei grandi gruppi ( famiglie, ordini, classi), quali ad esempio i vertebrati o gli artropodi, riducibile agli stessi meccanismi ed ai cambiamenti graduali che caratterizzano la formazione di nuove specie (speciazione).

La macroevoluzione la si può dimostrare solo attraverso i reperti fossili i quali sembrano fornirci tre diversi modelli di origine per i grandi gruppi: l' evoluzione filetica, la cladogenesi e la radiazione adattativa.

Il cambiamento filetico si osserva quando, all’interno di una singola linea di discendenza, si accumulano una serie di differenze graduali che fanno si che gli organismi più recenti, mostrano differenze tali da essere considerati una specie diversa da quelli più antichi.

I dati paleontologici mostrano anche che più specie possono derivare da un antenato comune e convivere nello stesso periodo di tempo. Questo modello in cui si evidenzia l’origine di nuove specie attraverso la “ramificazione” da una specie antenata viene detta cladogenesi.

Questo modello è legato alla speciazione allopatrica: la formazione di nuove specie avviene per scissione di piccole popolazioni (a causa soprattutto dell’isolamento geografico) da una grossa popolazione originale.

In queste piccole popolazioni le combinazioni genetiche favorevoli possono svilupparsi rapidamente senzadiluirsi nel flusso genico proveniente dalla popolazione principale, fino ad arrivare all’ isolamento riproduttivo. Secondo questo schema non c’è una trasformazione graduale di una specie in un’altra ma un passaggio "a salti".

Un altro modello che si può dedurre dalla documentazione fossile è la radiazione adattativa, consistente in una rapida diversificazione di gruppi di organismi aventi un antenato comune. Un esempio di questo modello evolutivo è la comparsa e rapida diversificazione dei mammiferi dopo l' estinzione dei dinosauri.