Moleculaire evolutie is het proces van evolutie in DNA, RNA en eiwitten.
Moleculaire evolutie ontstond als wetenschappelijk gebied in de jaren zestig toen onderzoekers uit de moleculaire biologie, de evolutiebiologie en de populatiegenetica probeerden de structuur en functie van nucleïnezuren en eiwitten te begrijpen. Enkele van de belangrijkste onderwerpen waren de evolutie van de functie van enzymen, het gebruik van nucleïnezuurveranderingen als een moleculaire klok om de divergentie van soorten te bestuderen, en de oorsprong van niet-functioneel of junk-DNA.
Recente vorderingen op het gebied van de genomica, met inbegrip van sequentiebepaling van het volledige genoom, en de bio-informatica hebben geleid tot een spectaculaire toename van de studies over dit onderwerp. In de jaren 2000 is onderzoek gedaan naar de rol van genduplicatie, de omvang van adaptieve moleculaire evolutie versus neutrale genetische drift, en de identificatie van moleculaire veranderingen die verantwoordelijk zijn voor diverse menselijke kenmerken, met name die welke betrekking hebben op infectie, ziekte en cognitie.