Canlıların evrimleşerek çeşitlendiğinin kanıtları çok farklı bilim dallarından gelir. Aynı zamanda, antropoloji, astrofizik, kimya, jeoloji, fizik, matematik, davranış ve sosyal bilimler gibi bilim disiplinlerinde gerçekleştirilen geçmiş ve modern zaman araştırmaları, evrim için kanıtlar sağlar. Astrofizik ve jeoloji, Dünya’nın yaşının evrim yoluyla bugünkü türlerin oluşmasına yetecek derecede yaşlı olduğunu göstermiştir. Fizik ve kimya, önemli evrimsel olayların zamanlamasını olanaklı kılan tarihleme metotlarının geliştirilmesini sağlamıştır. Diğer türlerin çalışılması, türler arasında sadece fiziksel devamlılığın değil, aynı zamanda davranışsal devamlılığın da olduğunu göstermiştir. Antropoloji hem insanın kökeni ve hem de biyolojiyle kültürel faktörler arasındaki etkileşimler üzerine yeni bakış açıları getirmiştir.
Radyometrik tarihleme: Bilim insanlarının evrim çalışmalarında kullandıkları en temel yollardan biri radyometrik tarihleme yöntemleridir. Bu yöntemler sayesinde, tarihöncesinden kalmış kayaların, fosil örneklerinin, insan yapımı aletlerin vb. yaşı hesaplanabilir. Yöntemlerin temeli kısaca şöyledir: Bazı atomlar radyoaktiftir. Bunun anlamı, bu atomlar doğal olarak diğer radyoaktif ve radyoaktif olmayan atomlara bozunur ve bu sırada da atom altı partiküller ve enerji yayarlar. Her radyoaktif atom kendine özgü yarı ömre sahiptir. Yarı ömür bir örnekteki atomların yarısının bozunması için geçen süre demektir. Radyoaktif atomlar bu yüzden materyallerin bir iç saati gibidir. Bir materyaldeki radyoaktif elementin miktarının materyalin bozunmuş kısmıyla karşılaştırılması yoluyla, materyalin ne zaman oluştuğuna karar verilebilir. Bu ölçümlerle Dünya’nın, Ay’ın, meteoritlerin ve Güneş Sistemi’nin yaşı hesaplanmıştır. Tüm bu ölçümler bu gökcisimlerinin milyarlarca yıl yaşında olduğunu göstermiştir. Benzer şekilde fosiller ve bulundukları toprak katmanlarının yaşı hesaplanarak, canlının ne zaman yaşadığı bulunabilir.
Kazılardan elde edilen fosil örnekleri, geçmiş dönemlerdeki canlı yaşamına ışık tutuyor.
Fosil kaynakları: Canlıların evrimini gösteren bir diğer önemli kaynak da elde edilen sayısız fosil örneğidir. Fosil örnekleri, canlıların zaman içerisinde gösterdikleri değişimi ortaya koymaktadır. Örneğin, uzun süredir gündemde olan Archaeopteryx fosili, dinozorlar ile kuşlar arasındaki geçişi gösteren çok bilinen bir fosil örneğidir. Archaeopteryx bir dinozorun iskelet yapısına ve aynı zamanda da tüy ve kanatlara sahip 155 milyon yıllık bir fosildir. Çin’de bulunan 110 milyon yıllık kuş benzeri fosil örneklerinde de ufak kuyruk ve pençe uzantıları bulunmuştur. Daha yakın zamanlara ait fosil örneklerinde de balina, fil, armadillo, at ve insan gibi birçok modern organizmaya giden evrimsel yollar ortaya çıkarılmıştır.
Ortak yapı ve davranışlar: Eğer iki türün ortak ataları görece olarak daha yakın bir zamanda yaşamış ise, bu iki türün sahip olacağı ortak fiziksel özellikler ve davranışlar, ortak ataları daha eski zamanda yaşamış olan türlere göre daha fazla olacaktır. Bu yüzden de insanlar şempanzelere, balıklara benzediklerinden çok daha fazla benzer. Bununla birlikte, tüm organizmalar bazı ortak özellikleri paylaşır, bunun nedeni her organizmanın geçmişte bir noktada ortak bir ataya sahip olmasıdır. Örneğin, biriken fosil ve moleküler kanıtlara dayanarak, insanların, ineklerin, balinaların ve yarasaların ortak atasının yaklaşık 100 myö (milyon yıl önce) yaşadığı tahmin edilen, küçük bir memeli olduğunu söyleyebiliriz. O ortak atanın soyundan gelen nesiller temel değişiklikler geçirdilerse de, iskelet yapıları dikkat çekici bir şekilde benzer kalmıştır.
Kemiklerden oluşan ve detayları farklı olsa da genel yapısı ve birbirine ilişkileri benzer olan iskelet yapısı ile insan yazar, inek yürür, balina yüzer ve yarasa da uçar. Evrim biyologları ortak atadan türeyen benzerliklere homoloji (türdeşlik) adını vermektedir. Karşılaştırmalı anatomistler bu tür homolojileri sadece kemik yapısında değil, vücudun diğer tüm parçalarında da araştırır ve benzerlik derecesinden evrimsel ilişkileri çıkarırlar. Diğer biyologlar da aynı mantığı kullanarak, değişik organların fonksiyonlarındaki, embriyoların gelişimlerindeki ya da değişik organizmaların gösterdikleri davranışlardaki benzerlikleri araştırır. Bu araştırmalar bugünün organizmaları ile ortak atalarının bağlarını gösteren kanıtlar sağlar. Bu kanıtlar üzerine kurulan hipotezler de fosil kayıtları incelenerek test edilebilir.
Bazen, ayrı soylar birbirinden bağımsız olarak benzer yapılara evrimleşebilir. Bu tür yapılara “analog” yapılar adı verilir. Homolojilere benzerler, ancak ortak atadan değil ortak çevreden ileri gelirler. Örneğin, yunuslar kara memelilerinden 50 milyon yıl kadar önce evrimleşen deniz memelileridir. Evrimsel terimlerle yunusların balıklara uzaklığı, fareler ya da insanların balıklara uzaklığıyla aynıdır. Ancak yunuslar, balıkların, köpekbalıklarının, hatta soyu tükenmiş Ichthyosaurus denilen dinozorların vücutlarına benzer aerodinamik vücut yapıları evrimleştirmişlerdir.
Biyolojinin birçok değişik alanından gelen bu tür kanıtlar, evrimsel biyologların şu ayrımı yapmalarına olanak sağlar: Fiziksel ve davranışsal benzerlikler, ortak atadan gelen bir sonuç mudur; yoksa benzer evrimsel meydan okumalara karşı geliştirilmiş bağımsız cevaplar mıdır…
DNA dizileme yöntemleriyle elde edilen veriler karşılaştırılarak evrime ilişkin gözlemler yapılabilir.
Moleküler biyoloji kanıtları: DNA bir nesilden diğerine, atadan (ebeveyn hücreden) doğrudan yavruya (yeni hücreye) geçerek (eşeysiz üremede olduğu gibi) ya da DNA-içeren sperm ve yumurta hücrelerinin birleşmesi yoluyla (eşeyli çoğalan organizmalar gibi) aktarılır. Daha önce de tartışıldığı gibi, DNA nükleotidlerinin dizisi bir nesilden diğerine mutasyonlar yoluyla değişebilir. Eğer bu değişiklikler organizmaya yararlı özellikler kazandırıyorsa, yeni DNA dizisi yüksek ihtimalle popülasyon içerisinde nesiller boyunca yayılacaktır. Aynı zamanda, organizmanın sahip olduğu özellikler üzerinde etkisi olmayan nötr mutasyonlar da DNA nesilden nesile geçerken popülasyon içerisinde korunabilir. Sonuç olarak DNA, geçmişteki evrimsel adaptasyonlardan sorumlu değişiklikler gibi, genetik değişikliklerin bir kaydını içerir. Benzer olarak organizmanın sahip olduğu proteinler de, metabolik yol izleri de, zaman içerisinde evrimleşerek çeşitlenmiştir. DNA dizileri arasındaki benzerlik, diğer biyolojik moleküllerde de aranabilir.
Biyologlar iki organizmanın DNA dizilerini karşılaştırarak, o organizmaların ortak atayı paylaştıkları zamandan beri ne tür genetik değişiklikler geçirdiklerini ortaya çıkarabilir. Eğer iki tür görece olarak daha yakın zaman larda bir ortak ataya sahipseler, eski zamanlardaki bir ortak ataya sahip olan türlere oranla DNA dizileri daha benzer olacaktır. Örneğin, insanın DNA dizisi şempanze DNA’sından ortalama olarak sadece yüzde birkaç farklılık gösterir. Bu derece benzerlik şempanzelerle görece olarak yakın zamanlarda ortak bir ataya sahip olduğumuz anlamına gelir. Ancak insan DNA dizisi babun, fare, tavuk ve kirpibalıklarının DNA’ları ile karşılaştırıldığında, farklılığın giderek arttığı gözlemlenir. Artan farklılık, o organizma ile olan evrimsel yakınlığımızın azalması anlamına gelir. İnsan DNA dizisini sinek, solucan ve bitki DNA’ları ile karşılaştırdığımızda, farklılığın daha da fazla olduğu bulunmuştur. Ortak ata üzerinden ne kadar zaman geçmiş olursa olsun, her tür yaşam formunun DNA dizileri arasında benzerlik görülebilir. Hatta insan ve bakteri DNA dizilerindeki belirli bazı genler arasında benzerlik görülmektedir.
Bu benzerliklerin anlamı her iki organizmada da benzer fonksiyonlara sahip moleküler sistemlerin varlığıdır. Böylece, biyolojik evrim, insan yaşamı için önemli olan biyolojik süreçlerin anlaşılması için neden diğer organizmalar üzerine de çalışılması gerektiğini göstermektedir. Gerçekten de, bugün gerçekleştirilen biyomedikal araştırmalarının çoğu, yaşayan tüm canlıların sahip oldukları biyolojik ortaklıklara dayanmaktadır.