Molekyylievoluutio on elämälle välttämättömien suurmolekyylien DNA:n, RNA:n ja proteiinien evoluutiota eli muuttumista sukupolvien kuluessa. Koska muita molekyylejä kuten proteiineja valmistetaan geenit sisältävän DNA:n tai RNA:n ohjeiden mukaan, molekyylievoluutio voidaan palauttaa näiden evoluutioksi. Molekyylievoluutiota pitävät käynnissä DNA-mutaatiot, jotka tuottavat erilaisia ominaisuuksia niitä kantavilla soluille ja eliöille. Jos tapahtunut mutaatio edistää eliön säilymistä luonnossa, se yleistyy.
Molekyylievoluution pohjalta on nykyisin ihmisen DNA:n rakenteen selvittyä koetettu haplotyyppien avulla selvittää ihmisrotujen keskinäistä sukupuuta.