通过研究动植物的变异，达尔文可以观察到自然选择的结果，但是他对这个过程发生的机制并不清楚。在达尔文之后出现的遗传学科学，为性状的遗传提供了生物化学基础，解释了物种产生变异的原因。进化需要两个要素：一是物种内部的变异，二是在一个群体中，自然选择对个体的作用。本章节讨论了遗传学的基本原理以及引起进化变异的自然力量。
遗传模式的发现
1856年，孟德尔开始了为期八年以豌豆为主要对象的大范围栽培实验。孟德尔的实验是对遗传模式第一次系统性的研究。他的研究包含了大量实例，遗传模式开始浮出水面，让我们能够开展可靠的预测。孟德尔发现，遗传并非通过融合或减少亲代的性状实现的，而是通过结合彼此分离的因子实现的，孟德尔将这些因子称为“颗粒遗传因子”，即现在的“基因”。各个性状的遗传可以独立进行。一个基因的表达不依赖于其他基因的表达。性状的各种组合都是可能的，于是在种群中出现了多样性。性状的重新组合促进了生物性状的多样性，使自然选择得以进行，这对进化生物学至关重要。
生物化学研究的不断进步让人们了解了染色体，基因，并最终了解了脱氧核糖核酸。DNA是一种双链结构分子，存在于每个细胞中，是遗传物质的载体。这些物质可以被归为遗传物质，是人体遗传机器密不可分的一部分。
按照定义，遗传物质必须具备以下功能：
1.遗传物质包含构成生物体所需的一切指令。这一套完整的指令称为生物体的基因组。
2.遗传物质可以从亲代传递到子代，然后在细胞分裂过程中，从细胞传递到细胞。
3.遗传物质能够准确地进行自我复制，从而使得遗传物质从亲代传递到子代成为可能。
4.遗传物质的变异表现为一个物种中所有可能的变化。
群体遗传学研究一个群体中个体的等位基因，基因型，和表现型出现的频率。基因库是一个种群中所有个体的基因的总和，既是变异的源泉，也展现了群体内的遗传相关性。任何影响群体内给定基因的频率的因素都称为遗传进化。遗传进化和产生新物种的进化是两个不同的概念，不可混淆。因此，在一个物种内部发生的遗传变化是微进化。通过微进化，一个群体能够产生基因独特的性状，但依然属于同一物种。
在微进化中，有一些自然力量在发挥作用。达尔文最早提出的自然选择，与适应性改变一起，对群体产生作用。生物为了更好地适应环境并生存下来而发展相应的生物学特性的现象称为适应性。
进化的速度
达尔文认为，进化和新物种的出现是一个缓慢渐进的过程。在他看来，新物种的产生需要几千年甚至几百万年。这一观点被称为渐进主义。渐进主义认为，在相当一段长的时间里，一个物种缓慢、渐进地变化，直至产生重大的生物学变化，产生了一个新的物种。化石记录证明了这些缓慢变化的存在。
1972年，古生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德和奈尔斯·埃尔德雷奇提出了一个大胆新奇的观点，挑战了渐进主义观点。古尔德和埃尔德雷奇承认自然选择是进化的内在机制，但他们发现，即使从地质时间的标准来看，进化的速度并不总是缓慢渐进的。进化能在短时间内快速发生，影响一个种群的亚群。那些拥有适合生存特质的个体会在几万或几百万年间迅速进化，按地质时间来算，这仅仅是几秒和几分钟的事情。这些变化可能产生新的物种。这个进化过程中的剧变称为“间断平衡”。
间断平衡往往出现在一个物种的小范围群体中。
1.乔治·孟德尔和达尔文一样，对遗传的生物化学基础一无所知，但他在培育豌豆植物上的突破性工作，为遗传科学奠定了基础。他发现的遗传模式被称为“孟德尔遗传学”。
2.根据孟德尔的发现，遗传的进行有赖于离散的“颗粒遗传因子”。后代的每一个性状都由两个基因控制。基因可以有不同的组合，称为等位基因。
3.决定同一基因的两个等位基因相同，称为纯和。两个等位基因不同，称为杂合。
4.基因型决定了生物体性状的表达。肉眼可以观察到的性状称为表现型。
5.隐性基因，或者隐性性状，并没有被破坏，可能在某一后代中显现。
6.遗传物质中包含构造生物体所需的所有指令。遗传物质可以从亲代传到子代，然后在细胞分裂过程中，从细胞传到细胞。遗传物质可以进行自我复制，是一个物种所能产生的所有变异的来源。
7.DNA是携带遗传密码的分子。基因分布在DNA长链的染色体上。
8.群体遗传学研究一个种群中所有个体的等位基因、基因型以及表现型的频率。一个种群的所有基因总合称为基因库。
9.在一个种群内发生的遗传变异称为微进化。
10.自然选择和遗传学是进化的内在机制，使物种能够适应环境。
11.突变是遗传密码上的改变，随机发生。
12.物种形成的过程称为宏进化。
13.一个基因组是用于构建生物体的一套完整的的基因变化指令。
14.三种生物性适应分别是遗传变化，短期生理变化和长期生理变化。后两类不能遗传到后代。
15.渐进主义认为，在相当一段长的时间里，一个物种缓慢、渐进地产生变化，直到产生重大的生物学变化。间断平衡是物种在进化过程中，迫于特定的环境压力，偶然加快进化速度的现象。