Carl Linnaeus, der schwedische Naturforscher, der uns 1735 die binäre Nomenklatur schenkte (Homo sapiens, Felis catus), ordnete die Lebewesen in eine statische Hierarchie — Reiche, Klassen, Ordnungen, Gattungen, Arten —, in der er das Werk Gottes wiederzufinden glaubte. Charles Darwin deutete dieselbe Hierarchie ein Jahrhundert später als historischen Befund um: jede taxonomische Gruppe geht auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück, und die Hierarchie ist ein Stammbaum. Über die Entstehung der Arten (1859) endet mit dem einzigen Diagramm des Buches — einem sich verzweigenden Baum, der zeigt, wie Arten auseinanderdriften — und Darwin hatte keinen fossilen oder genetischen Beleg dafür, sondern allein die logische Struktur der natürlichen Selektion, die auf vererbbarer Variation wirkt. Molekulare Sequenzdaten haben die Form des Stammbaums seither mit außerordentlicher Präzision bestätigt: jede je sequenzierte Art passt in einen einzigen Stammbaum, der sich rund 3,5 Milliarden Jahre zurückverfolgen lässt bis zum letzten universellen gemeinsamen Vorfahren (LUCA).
Die Artbildung ist der Vorgang, bei dem eine Vorfahrenpopulation in zwei reproduktiv getrennte Populationen zerfällt. Reproduktive Isolation ist die operationale Definition einer Art in Ernst Mayrs biologischem Artkonzept (1942). Die Mechanismen sind präzygotisch (verschiedene Paarungszeiten, Balzrituale, Inkompatibilität von Spermium und Eizelle) und postzygotisch (der Hybride ist nicht lebensfähig, steril oder weniger fit — Maultiere aus Pferd × Esel, Hybridzusammenbruch bei Pflanzen). Die Modi heißen allopatrisch (geografische Trennung, der vorherrschende Modus bei Tieren, mit Darwins Finken auf den Galápagos als Lehrbuchfall, in Echtzeit über vier Jahrzehnte von Peter und Rosemary Grant beobachtet), sympatrisch (ohne geografische Trennung, über ökologische Spezialisierung, sexuelle Selektion oder Polyploidie) und parapatrisch (entlang eines kontinuierlichen geografischen Gefälles); das Tempo liegt bei Tieren typischerweise zwischen 10⁵ und 10⁷ Jahren, bei Pflanzen über Polyploidie schneller. Die Phylogenese rekonstruiert Stammbäume aus molekularen Sequenzdaten: monophyletische Gruppen (Kladen) umfassen alle Nachkommen eines gemeinsamen Vorfahren; paraphyletische Gruppen umfassen einige, aber nicht alle („Reptilien“ ohne Vögel); polyphyletische Gruppen gehen auf mehrere unabhängige Vorfahren zurück. Carl Woese zeigte 1977 anhand der ribosomalen RNA-Sequenz, dass sich das Leben in drei Domänen gliedert — Bakterien, Archaeen und Eukaryoten —, wobei die Eukaryoten die jüngste Domäne sind, hervorgegangen aus einem alten Archaeon, das ein Bakterium aufnahm (den Vorfahren der Mitochondrien). Der horizontale Gentransfer unter Mikroben verkompliziert den Stammbaum, sodass manche Autoren für die tiefsten mikrobiellen Verwandtschaften lieber von einem Netz oder Lebensnetzwerk sprechen. Molekulare Uhren unter näherungsweise konstanter Rate neutraler Mutation liefern, an Fossilien geeicht, Trennungszeiten — Schimpanse-Mensch ~6 Mio. Jahre, Primaten-Nager ~80 Mio. Jahre, Wirbeltiere-Arthropoden ~600 Mio. Jahre.
Die Genomsequenzierung verortet neu beschriebene Arten heute routinemäßig binnen Stunden im Stammbaum. Umwelt-DNA aus Wasser- oder Bodenproben deckt Biodiversität auf, die der klassischen Taxonomie um Größenordnungen entgangen war. Das Earth BioGenome Project (2018 gestartet) will die Genome aller 1,5 Millionen beschriebenen eukaryotischen Arten binnen eines Jahrzehnts sequenzieren. Alte DNA (Pääbo, Nobelpreis 2022) hat aus zehntausende Jahre alten Knochenfragmenten die Genome von Neandertalern und Denisovanern rekonstruiert und gezeigt, dass moderne Menschen sich mit beiden gekreuzt haben — alle nicht-afrikanischen Menschen tragen rund 1–4 % Neandertaler-DNA. Die Wiederbelebung ausgestorbener Arten (Wollhaarmammut über den Asiatischen Elefanten, Beutelwolf über die Schmalfußbeutelmaus, Colossal Biosciences) steckt in frühen Proof-of-Concept-Stadien. Der Stammbaum, den Darwin 1859 skizzierte, ist durch molekulare Daten bestätigt, vertieft — und verkompliziert worden.