L'évolution moléculaire est le processus d'évolution de l'ADN, de l'ARN et des protéines.

L'évolution moléculaire est apparue comme un domaine scientifique dans les années 1960, lorsque des chercheurs en biologie moléculaire, en biologie évolutive et en génétique des populations ont cherché à comprendre la structure et la fonction des acides nucléiques et des protéines. Certains des sujets clés ont été l'évolution de la fonction enzymatique, l'utilisation des modifications des acides nucléiques comme horloge moléculaire pour étudier la divergence des espèces, et l'origine de l'ADN non fonctionnel ou de l'ADN de rebut.

Les progrès récents de la génomique, notamment le séquençage du génome entier, et de la bioinformatique ont entraîné une augmentation spectaculaire des études sur le sujet. Dans les années 2000, le rôle de la duplication des gènes, l'ampleur de l'évolution moléculaire adaptative par rapport à la dérive génétique neutre et l'identification des changements moléculaires responsables de diverses caractéristiques humaines, notamment celles qui concernent l'infection, la maladie et la cognition, ont été abordés.