Około 10-20 miliardów lat temu wszechświat miał postać gigantycznej, gorącej kuli o ogromnej gęstości. W wyniku wielkiego wybuchu, materia budująca ówczesny wszechświat uległa rozproszeniu. Od tego momentu wszechświat nieustannie się rozszerza. Stygnięciu materii towarzyszyło powstawanie atomów różnych pierwiastków, przede wszystkim wodoru i helu.

Słońce powstało mniej więcej 5-10 miliardów lat temu, w wyniku sprężenia materii słonecznej na skutek działania siły grawitacji. Materia ta, następnie, uległa rozżarzeniu. Jednocześnie powstała ogromna ilość ciepła, dzięki któremu z wodoru i helu zaczęły powstawać bardziej skomplikowane pierwiastki. Z części materii, oderwanej od Słońca, która połączyła się z kosmicznym pyłem oraz gazami, powstały planety.

Ziemia powstała 4,6 miliarda lat temu. Dzięki działaniu sił grawitacji, materia tworząca pierwotną Ziemię zgęstniała. W czasie tego procesu, żelazo i nikiel, będące najcięższymi pierwiastkami przemieściły się w głąb, tworząc jądro Ziemi. Płaszcz ziemi powstał z pierwiastków średnio ciężkich, a przy powierzchni pozostały lekkie pierwiastki. Zanikła pierwotna atmosfera Ziemi, której głównymi składnikami były hel i wodór, ponieważ siły grawitacji wytwarzane przez ówczesną Ziemię były zbyt słabe by ją zatrzymać.

Na początkowym etapie Ziemia była zimna. Na skutek postępującego gęstnienia materii gromadziło się ciepło. Jego ilość zwiększała się ponadto w wyniku reakcji promieniotwórczych. Ciepło uwalniało się też z gorących źródeł. Ponadto ocieplaniu ówczesnej Ziemi sprzyjały wybuchy wulkanów. Towarzyszyło im uwalnianie gazów, które utworzyły atmosferę. Miała ona redukcyjne właściwości, pozbawiona była praktycznie tlenu. Występowały natomiast takie gazy jak dwutlenek i tlenek węgla, para wodna, azot, amoniak, siarkowodór i metan. Ziemia stopniowo się ochładzała, dzięki czemu para wodna ulegała kondensacji-tak powstała hydrosfera Ziemi.

Życie nie mogło powstać w warunkach obecności wolnego tlenu, ponieważ jako niezwykle aktywny pierwiastek, natychmiast rozłożyłby związki organiczne. Do powstania życia potrzebna była ogromna ilość energii, której w owym czasie nie brakowało. Pochodziła ona z wyładowań elektrycznych w atmosferze, erupcji wulkanicznych, bombardowania meteorytów oraz silnego promieniowania. Ponadto, aby mogło powstać życie niezbędna była obecność prostych związków chemicznych, które mogłyby posłużyć do syntezy związków bardziej skomplikowanych. Tymi związkami była woda, sole mineralne oraz gazy, które tworzyły ówczesną atmosferę.

Hipotezę o spontanicznym powstawaniu prostych związków nieorganicznych z materii nieożywionej sformułowali po raz pierwszy, w latach 20-tych XX wieku, niezależnie od siebie przez dwaj uczeni. Jednym z nich był rosyjski biochemik Oparin, a drugim szkocki fizjolog i genetyk Haldane. W latach 50-tych hipotezę tę badali Miller i Urey, za pomocą urządzenia, które symulowało warunki, jakie przypuszczalnie panowały na ziemi, w początkowych etapach jej istnienia. Dyskusje dotyczą też miejsca, w którym mogła zachodzić polimeryzacja związków organicznych. Zdaniem Oparina działo się to w płytkich oceanach. Jednak według innych uczonym polimery organiczne mogły powstawać na powierzchni skał lub iłów. Spontanicznie utworzone polimery organiczne to protobionty.

Pierwsze komórki prokariotyczne istniały już 3,5 miliarda lat temu. Jednym z dowodów na istnienie najstarszych komórek na Ziemi są stromatolity. Są to skały o kształcie stożka, utworzone z bardzo dużej liczby warstw komórek prokariotycznych. Stromatolity tworzone były głównie przez sinice. Po jakimś czasie wokół komórek wytrącał się osad, dzięki czemu komórki ulegały mineralizacji. Na warstwie martwych komórek pojawiała się kolejna warstwa komórek żywych. Najstarsze stromatolity występują u zachodnich wybrzeży Australii.

W procesie prowadzącym do powstania pierwszych komórek przełomowe znaczenie miały dwa wydarzenia: pojawienie się replikacji molekularnej oraz metabolizmu. Polinukleotydy mogły powstawać spontanicznie, podobnie jak polipeptydy na powierzchni iłów. Najprawdopodobniej, pierwszą cząsteczką informacyjną był RNA, natomiast DNA i białka powstały później. RNA przejawia niekiedy właściwości katalityczne, zachowując się jak enzym. Być może dzięki tym właściwościom RNA mógł katalizować syntezę kolejnych cząsteczek RNA. RNA może też sterować syntezą białek. Ostatnim stadium ewolucji cząsteczek informacyjnych było włączenie DNA do układu niosącego informację. Cząsteczka DNA ma strukturę podwójnej helisy, co czyni ją trwalszą i mniej reaktywną. Właściwości te są bardzo ważne, w przypadku cząsteczki, której funkcją jest przechowywanie informacji genetycznej. Nie wiemy jak powstał kod genetyczny, jednak biorąc pod uwagę jego uniwersalizm, musiało się to stać bardzo wcześnie.

Ewolucja metabolizmu była procesem stopniowym i zachodziła krok po kroku. Enzymy, których udział jest niezbędny w poszczególnych szlakach metabolicznych pojawiły się jeden po drugim. Kolejność ich pojawiania się była, najprawdopodobniej odwrotna, w stosunku do kolejności, z jaką uczestniczą w procesach metabolicznych.

Prawdopodobnie heterotrofy pojawiły się wcześniej niż autotrofy. Pierwotne mikroorganizmy odżywiały się najprawdopodobniej spontanicznie powstającymi związkami organicznymi. Niezbędną do życia energię uzyskiwały w procesie fermentacji, były zatem organizmami beztlenowymi.

W wyniku pewnej mutacji, niektóre z tych pierwotnych organizmów uzyskały zdolność korzystania z energii promieniowania słonecznego i magazynowania go w postaci ATP. Z czasem pojawiła się zdolność gromadzenia energii w wiązaniach chemicznych takich związków jak na przykład cukry. Dla pierwotnych autotrofów źródłem wodoru, niezbędnego do redukcji dwutlenku węgla był siarkowodór. Sinice były pierwszymi autotrofami, dla których źródłem wodoru była woda. Woda występowała wówczas pod dostatkiem, a ponieważ wykorzystywanie jej jako donora wodoru dawało przewagę selekcyjną, sinice zaczęły pojawiać się masowo. Produktem ubocznym tego procesu był tlen. Z czasem tlen zaczął gromadzić się w oceanach i atmosferze. Pierwsze autotrofy prokariotyczne, wśród nich sinice pojawiły się 3,4-3,1 miliarda lat temu. Mniej więcej 2 miliardy lat temu zaczęła się kształtować atmosfera tlenowa. W górnej części atmosfery cząsteczki tlenu reagowały ze sobą, w wyniku czego powstała warstwa ozonowa. Pozwoliło to organizmom żyć w przypowierzchniowej części oceanu, a nawet na lądzie. Ponadto zmniejszyła się ilość powstających spontanicznie związków organicznych, ponieważ zmniejszyła się ilość energii dostarczanej z promieniowaniem słonecznym. Wiele organizmów beztlenowych wyginęło. Jednak część z nich wytworzyła pewne mechanizmy, dzięki którym tlen nie był dla nich szkodliwy. Inne z kolei uzyskały zdolność do wykorzystywania tlenu w przemianach energetycznych. Ponieważ oddychanie tlenowe jest korzystniejsze energetycznie, niż beztlenowa fermentacja, organizmy tlenowe zaczęły uzyskiwać przewagę nad organizmami beztlenowymi, na które tlen, w dodatku działa w sposób toksyczny. Oddychanie tlenowe sprawiło, że ustabilizowała się zawartość zarówno tlenu, jak i dwutlenku węgla. Autotrofy wykorzystywały do fotosyntezy dwutlenek węgla, wytworzony przez organizmy w procesie oddychania tlenowego. W związku z tym wykształcił się obieg węgla w biosferze.

Eukarionty istniały już 1,7-1,5 miliarda lat temu. Komórki eukariotyczne powstały najprawdopodobniej z komórek prokariotycznych. Proces ten wyjaśnia teoria endosymbiozy. W myśl tej teorii chloroplasty i mitochondria, a niewykluczone, że też centriole i wici powstały w wyniku współpracy pomiędzy dwiema komórkami prokariotycznymi. Chloroplasty powstały w wyniku symbiozy z bakterią fotosyntetyzującą, a mitochondria w wyniku współpracy z bakterią tlenową. Endosymbionty znalazły się we wnętrzu innej komórki na skutek wchłonięcia, nie zostały jednak strawione. Pozostały w komórce gospodarza i rozmnażały się razem z nim, w związku z tym, kolejne pokolenia komórek zaopatrzone były w endosymbionty. Z czasem endosymbionty straciły zdolność do samodzielnego funkcjonowania. Między endosymbiontem a gospodarzem wykształciła się zależność o charakterze mutualistycznym. Endosymbiont wnosił do tej współpracy coś, czego nie miał gospodarz, na przykład umiejętność oddychania tlenowego.

Dowodem na poparcie teorii symbiotycznej jest fakt, że we współczesnych komórkach eukariotycznych chloroplasty i mitochondria są tak zwanymi organellami półautonomicznymi. Zawierają one swój własny, kolisty DNA. Kolisty DNA jest cechą charakterystyczną dla komórek prokariotycznych. Mają ponadto własne rybosomy, które przypominają rybosomy prokariontów oraz pewne mechanizmy umożliwiające im biosyntezę białek. Zarówno mitochondria, jak i chloroplasty otoczone są podwójną błoną, jedna z nich prawdopodobnie pochodzi od gospodarza.