Em 1858, Charles Darwin e Alfred Russel Wallace publicaram uma nova teoria evolutiva, que foi explicada em detalhes no livro de Darwin A origem das espécies em 1859. Diferente de Lamarck, Darwin propôs o conceito de que os organismos apresentam uma origem comum, e se diferenciam de maneira a formar uma árvore da vida. A teoria fundamentava-se na concepção de seleção natural, e para proporcionar suporte ao seu argumento, Darwin apresentou uma grande quantidade de evidências oriundas de diferentes áreas: pecuária, biogeografia, geologia, morfologia e embriologia.

O trabalho de Darwin conduziu a uma rápida aceitação do conceito de evolução, mas o mecanismo proposto, a seleção natural, não foi amplamente aceito até os anos 1940. A maioria dos biólogos argumentava que outros fatores eram responsáveis pela evolução, como a herança de caracteres adquiridos (neo-Lamarquismo), uma tendência inata à mudança (ortogênese), ou grandes mutações repentinas (saltacionismo). A síntese da seleção natural com a genética Mendeliana durante os anos 1920 e 1930 fundou a nova disciplina da genética de populações. Durante os anos 1930 e 1940, a genética de populações foi integrada a outros campos da biologia, resultando numa teoria evolutiva amplamente aplicável, que abarcava a maior parte da biologia — a síntese evolutiva moderna.