Evolutionsforskningen använder sig av ett flertal olika metoder för att försöka pussla ihop hur olika arter har evolverat och hur de är besläktade med varandra. Den äldsta och mest kända metoden är fossilundersökningar, dvs. lämningar (tex. förstenade fiskskelettdelar) eller spår av utdöda arter. Oftast hittar man miljontals år gamla fossil, men under vissa omständigheter fossiliseras också unga organismer, tex. mammutar, och kallas då för subfossil. Arter som existerar ännu idag men inte har evolverat speciellt mycket på en väldigt lång tid (miljontals år) kallas för levande fossil, tex. igelkotten. Utmaningen med att studera fossil är att kunna åldersbestämma dem, vilket idag sker relativt enkelt med kol-14-metoden, och att det nästan bara är organismer med hårdare byggnad (inre eller yttre skelett) som lämnar fossil efter sig.
Med jämförande anatomi hittar man släktskap mellan olika organismer Till exempel så har alla ryggradsdjur samma grundstomme i sitt skelett, de olika delarna ser bara olika ut beroende på artens livsmiljö. De främre extremiteterna sägs vara s.k. homologa organ, dvs. organ med olika utseende men samma ursprung. Hos många arter hittas också spår av tidigare utvecklingsskeden i form av rester av organ eller kroppsdelar. Dessa kallas för rudimentära organ (tex. människans visdomständer). Ibland utvecklas en helt ny gren i livets träd, tex. fåglarna som härstammar från reptiler. Fossilfynd som representerar denna övergång mellan reptil och fågel kallas för intermediärfossil (urfågeln Archaeopteryx).
Arter kan också likna varandra utan att vara nära besläktade. Delfiner (däggdjur) och hajar (fiskar) liknar varandra pga. samma livsmiljö, de har alltså evolverat pga samma urvalsmekanismer (konvergent evolution) medan svartgulrandiga ofarliga blomflugor imiterar utseendet på getingar och undviker på det sättet att bli uppätna av fåglar. Detta fenomen kallas för mimikry.
Att ryggrasdjuren har ett gemensamt ursrung i vattenmiljö bevisas genom att deras fosterutveckling sker i ett ägg eller en livmoder fylld med vatten. Dessutom ser fostren på ett tidigt stadium snarlika ut.
Idag sker artbestämningen oftast med hjälp av molekylärteknik, dvs analyser av DNA. Arvsmassans beståndsdelar är universell för alla organismer, men sammansättningen av dem varierar. Det gemensamma ursprunget hos alla arter märks också på proteinsammansättningen i cellerna samt cellernas universella byggnad.
Evolutionen är i full gång hela tiden, och går speciellt snabbt då livsmiljöer förändras. Industrialiseringen med sotutsläpp i fabriksområden har orsakat industrimelanism hos fjärilar ocn användningen av antibiotika har utvecklat motståndskraftiga bakteriestammar runtom i världen. Evolutionen har inget mål och skapar inga "färdiga" eller perfekta arter, det är bara något som händer pga. det naturliga urvalet.