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达尔文的自然选择说解释了新物种是如何产生的。但他并不知道亲代是以何种方式将他们的特征传给后代，也不知道新的特征是如何出现的。而现在，我们已经掌握了大部分答案。
遗传的单位是基因。它们决定了从眼珠颜色到罹患某些疾病的高风险等一切特征。某些遗传特征（如老鼠的颜色）是由单一基因决定的，但大多数特征（如人的身高、体重和眼珠颜色）是由一系列不同的基因决定的。基因被包裹在一长串叫作染色体的分子中；除了性细胞，所有细胞中都含有两套这样的染色体。
然而，后代复制特定性状的指令在基因中是如何编码的，这一问题在当时仍没有答案。在20世纪40年代，科学家们开始猜测这可能与一个非常大且复杂的分子——脱氧核糖核酸（DNA）有关。后来，在1953年，在剑桥大学工作的美国人詹姆斯·沃森（James Watson）和英国人弗朗西斯·克里克（Francis Crick）宣布，他们已经解答出DNA如何编码遗传信息的谜团了。
“如此美丽的结构必然是存在的。”
詹姆斯·沃森在《双螺旋》（1968年）中如此评价DNA分子
他们证明，遗传代码是嵌在DNA结构中的。DNA分子有着双螺旋结构——即两条互相缠绕的链。每条链都是一条糖-磷酸盐骨架，且可以通过核苷酸碱基——即仅由四种化学成分组成的一对序列——与另一条链相连。每个碱基只与其他三个碱基中的一个配对。这一结构解释了DNA如何通过两条链的分离来展开自我复制，以此将遗传信息传递给后代的工作机理。
DNA的结构也解释了遗传代码是如何被嵌入的。三个核苷酸碱基的每个序列（一个密码子）都包含了创造一个特定氨基酸的指令。氨基酸是蛋白质的组成部分，也是所有细胞的重要成分。一个基因由能够编码出一个单一蛋白质的密码子序列组成，它之后跟着一个终止密码子。DNA的某些部分本身则并不能编码氨基酸，它们是控制基因或基因组打开和关闭的总控台。
DNA的工作方式也解释了突变是如何导致新特性产生的——这正是自然选择的关键动力。突变是核苷酸碱基序列在DNA自我复制时发生的变化。它是自然发生的，而暴露在化学品或辐射中会导致突变率的增加。只有发生在卵子和精子中的突变才会遗传给后代，它们也是唯一能影响到进化的因素。许多突变是中性的，但也有一些对后代有害，仅有少数突变才是有益的。控制因子的突变可能会对生物体造成巨大影响。有益的突变才能让生物体更好地适应环境，它们也是那些更有可能遗传给后代的基因。