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在大约40亿年前，早期海洋中充满了各类丰富的化学物质，生命可能已经开始了进化。科学家们认为，拥有自我复制这一功能的复杂有机分子（如DNA）的出现，是这一进程的关键时刻。
在地球历史的那个节点上，高层的大气中还没有形成臭氧层来阻挡太阳强烈的紫外线辐射。因此当这些复杂分子自我复制时，太阳辐射会让它们经历频繁地突变。其中一些分子可能因此制造出了更加适应周围环境的分子。自然选择很可能便是以这种形式而开始的。
例如，那些进行了更频繁的突变且突变方向更加正确的分子会更占优势；同理，那些能利用其他分子建立自己保护层的分子也是如此。实验表明，在经过了猛烈的火山运动并随后被冷水迅速冷却的环境下，氨基酸可以形成被膜包裹的结构。就这样，第一个细胞可能就要诞生了。
这些原始细胞应该是类似于细菌的简单生物，被称为“原核生物”，由一层外膜包裹着原生质组成。原生质是一种含有一系列大分子和小分子的凝胶状物质。DNA位于原生质体的特定位置，除此之外就没有什么特殊构造了。原核细胞通过分裂成两个新的细胞来繁殖。而这些早期的微生物又以早期海洋中丰富的有机分子为食。
在大约34亿年前，随着有机分子的供应变得捉襟见肘，一组新的原核微生物完成了它们的进化。它们是蓝细菌，有一种新的进食方式：光合作用。依靠阳光的能量，光合作用能将二氧化碳和水转化为葡萄糖（一种单糖），氧气则是这一过程的副产品。在此之前，氧气对地球上的生物来说是有毒的；而现在，随着氧气逐渐在大气中积累，许多生命形式开始依靠这种气体生存。
下一个巨大的进步发生在18亿年前，那时更大、更复杂的细胞出现了。这些所谓的真核细胞有一个中央结构——细胞核，其内放置着DNA。除此之外，它们还有着一系列其他具有特定功能的专门结构，即细胞器。一些细胞器有自己的DNA，再加上某些细胞器与一些细菌很相似，使得美国生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）在20世纪60年代末得出结论，认为真核细胞起初的状态是不同类型原核细胞之间的共生（互利）关系。如今科学家们已经普遍接受了这个理论。
“在进化的‘阶梯’上，我们远没有将微生物抛在身后，我们既被它们包围，又由它们组成。”
林恩·马古利斯和多里昂·萨根（Dorion Sagan）《微观世界》（1986年）
尽管我们自身和其他多细胞生物的细胞都是真核细胞，但最早的真核细胞仍然属于单细胞微生物，和现如今仍然存在的许多微生物很相似，如原生动物（有一些动物的特征）、黏菌类（有一些真菌的特征）和某些藻类（像植物，可以进行光合作用）。
伴随着真核细胞的出现，最重大的创新可能是性交的开始。在有性繁殖的过程中，亲代每一方都提供一部分遗传元素，并会导致更剧烈的变异，而这反过来又会加速进化的进程，因为更显著的变异能够让生物更快地适应不断变化的环境。