Evolusi molekuler adalah proses evolusi dalam DNA, RNA, dan protein.

Evolusi molekuler muncul sebagai bidang ilmiah pada tahun 1960-an ketika para peneliti dari biologi molekuler, biologi evolusioner, dan genetika populasi berusaha untuk memahami struktur dan fungsi asam nukleat dan protein. Beberapa topik utama adalah evolusi fungsi enzim, penggunaan perubahan asam nukleat sebagai jam molekuler untuk mempelajari divergensi spesies, dan asal mula DNA non-fungsional atau junk DNA.

Kemajuan terbaru dalam genomik, termasuk pengurutan seluruh genom, dan bioinformatika telah menyebabkan peningkatan dramatis dalam studi tentang topik tersebut. Pada tahun 2000-an, peran duplikasi gen, sejauh mana evolusi molekuler adaptif versus penyimpangan genetik netral, dan identifikasi perubahan molekuler yang bertanggung jawab atas berbagai karakteristik manusia terutama yang berkaitan dengan infeksi, penyakit, dan kognisi.