La paleontologia ha dimostrato che non tutte le specie attualmente esistenti sulla terra erano presenti nel passato e che, al contrario, molte specie un tempo esistenti si sono estinte. I paleontologi sono in grado di stabilire l’età dei fossili e, quindi, di ricostruire la successione cronologica ed evolutiva delle specie i cui resti sono attualmente presenti nelle rocce. Per alcuni gruppi di animali i reperti fossili sono tanto abbondanti e ben distribuiti nel tempo, da formare delle serie complete che consentono di ricostruire in modo dettagliato le tappe del loro intero processo evolutivo.

Per quanto riguarda i vertebrati la paleontologia testimonia come i primi vertebrati a comparire siano stati i pesci, seguiti dagli anfibi, dai rettili e, infine, dagli uccelli e dai dai mammiferi. Un eccezionale fossile che testimonia l’evoluzione degli Uccelli a partire dai Rettili è l’Archaeopteryx (fig. a), nel quale sono mescolati caratteri rettiliani con quelli degli Uccelli. La derivazione degli Anfibi dai Pesci è testimoniata da un altro fossile, Ichtyostega(fig. b) che presenta caratteristiche intermedie tra una classe e l’altra.

Per quanto riguarda le piante, la derivazione delle piante terrestri dalle alghe pluricellulari marine è testimoniata dal rinvenimento di fossili le cui caratteristiche sono intermedie tra le une e le altre.

Se si osserva l’arto anteriore di pesci, degli anfibi, dei rettili, degli uccelli e dei mammiferi, si può notare come questo sia in tutti i casi costituito dagli stessi pezzi, più o meno sviluppati: omero, radio, ulna, ossa carpali, ossa metacarpali e falangi. Per il diverso utilizzo che le specie ne hanno fatto, l’arto si è notevolmente modificato, ma in queste diverse classi di vertebrati ricorre sempre la stessa struttura.

Questo tipo di somiglianza viene chiamato omologia. In generalesi può affermare che gli arti dei vertebrati mostrino lo stesso piano strutturale di base, sebbene siano adattati a funzioni molto diverse quali il nuoto, il volo, la cattura delle prede; essi sono definiti organi omologhi.

La spiegazione risulta molto semplice: i vertebrati discenderebbero tutti da un antenato comune dal quale avrebbero ereditato le suddette strutture.

Omologie possono rinvenirsi a ogni livello di organizzazione animale. Il pungiglione delle vespe è una modificazione dell’organo utilizzato da altri insetti per deporre le uova (è questo il motivo per cui pungono solo le femmine); le ali delle mantidi sono pinne pettorali enormemente sviluppate; gli sfiatatoi dei cetacei sono narici localizzate nel posto più idoneo per poter respirare sott’acqua.

La presenza di organi rudimentali o vestigiali è un’ulteriore conferma dell’evoluzione. Questi organi sono rappresentati da strutture che non hanno alcuna funzione ed appaiono come assolutamente accessori; essi risultano perfettamente omologhi con le stesse strutture ben sviluppate e funzionanti presenti in gruppi affini.

Boa e pitone, quantunque non presentino arti posteriori, hanno, seppur fortemente ridotti, un femore e le ossa del bacino. Gli animali ipogei hanno generalmente occhi ridotti e assenti, forme vestigiali un tempo funzionali negli antenati che vivevano all’aperto.

Il panda possiede una deformazione dell'osso del polso che costituisce un sesto dito, il cosiddetto "pollice del panda". L'evoluzione ha favorito questa deformazione in quanto i panda, in origine onnivori, si sono adattati ad una dieta molto particolare, costituita dalle foglie di bambù che strappano facendo scorrere la mano tra il "pollice" e le altre dita. Si tratta di un esempio di "organo vestigiale", cioè di un organo che era presente negli antenati ma che si è rimpicciolito ed ha perso la sua funzione originaria.

Anche l’ uomo conserva alcuni organi vestigiali. L’appendice dell’intestino, ad esempio, che funzionava nei nostri lontani antenati come parte essenziale dell’apparato digerente, oggi non ha funzioni particolari. In corrispondenza dell’angolo sinistro dell’occhio umano permane una ridotta plica semilunare, la quale non è nient’alto che un rudimento della membrana nittitante che in altri mammiferi, negli uccelli, nei rettili e negli anfibi è molto più sviluppata e può essere abbassata come una tendina trasparente che protegge e lubrifica gli occhi senza impedire la visione.

Anche lo studio dell' embriologia può fornire interessanti indicazioni e permette di stabilire l’origine di organismi diversi a partire da antenati comuni. Se si considerano gli stadi dello sviluppo embrionale dei vertebrati, ci si accorge che essi procedono seguendo un modello unico, a tal punto che se si confrontano tra loro embrioni non molto avanzati di un pesce, di un anfibio, di un rettile e di alcuni mammiferi, compreso l’ uomo, ci si accorge che sono sorprendentemente simili tra loro e un embrione precoce di anfibio è difficilmente distinguibile da un embrione precoce di mammifero.

In particolare in tutti i succitati embrioni sono presenti le fessure branchiali, le quali vengono mantenute allo stato adulto soltanto dai pesci nei quali assumono la funzione di organi respiratori. Questo fatto dimostra che tutti i suddetti vertebrati dovrebbero aver avuto un progenitore comune che doveva avere una respirazione di tipo branchiale.

Alcune proteine sono presenti in tutti gli organismi viventi e la gran parte di esse presentano leggere differenze nella struttura nei diversi gruppi di organismi. Le somiglianze e le differenze riflettono i rapporti di affinità tra le specie. Le proteine di un moscerino, ad esemio, sono più simili a quelle di una farfalla che a quelle di un cane. Inoltre c’è maggiore somiglianza tra le proteine di un cane e quelle di una farfalla che tra le proteine di questi animali e quelle di un tulipano.

Queste osservazioni confermano l’idea che un moscerino, una farfalla, un cane e un tulipano siano tutti imparentati tra loro seppure con gradi differenti di parentela.

La biogeografia studia la distribuzione delle forme viventi nelle varie regioni del globo e fornisce importanti prove a sostegno della teoria dell’evoluzione. Se la distribuzione geografica delle specie non fosse in qualche modo determinata dall’evoluzione dovremmo aspettarci di trovare una determinata specie ovunque essa possa adattarsi e sopravvivere.

Di fatto però, aree diverse del nostro pianeta, che pure hanno condizioni climatiche simili, come per esempio l’Africa centrale e il Brasile, ospitano animali e piante diverse; le specie che si sono evolute in Africa non hanno potuto estendere la loro presenza in Brasile a causa della barriera naturale costituita dall’Oceano Atlantico.

Regioni della Terra come l’Australia e la Nuova Zelanda, che sono state separate dal resto del mondo in epoca molto antica, presentano flora e fauna particolari. In generale la distribuzione naturale degli organismi sulla terra si può comprendere solo facendo riferimento a meccanismi evolutivi.