Evolutionsbiologi är en integrerad del av biologin i allmänhet – studien och teorin om evolution i organismer. Mer än bara ett underfält, kan man se detta fält som den lins genom vilken all biologi bör betraktas, kreationister till trots. Evolutionsbiologin sysslar med arternas ursprung genom genetisk variation och naturligt urval samt den delade härkomsten av arter från gemensamma förfäder.
Även om biologi som är informerad av Darwinistisk teori går tillbaka till Darwins publicering av On the Origin of Species 1859, uppstod modern evolutionär biologi först ur den moderna evolutionära syntesen på 1930- och 1940-talen, och det var inte förrän på 1970- och 1980-talen som universiteten började skapa avdelningar med termen ”evolutionär biologi” som en del av sina titlar. Den enorma mängd fossil kunskap som avslöjades i början och mitten av 20-talet gjorde det möjligt att enkelt spåra utvecklingen av många organismer över tiden.
Ett ämne som är populärt inom evolutionär biologi är att försöka ta reda på när vissa adaptiva egenskaper först dök upp och hur många gånger de utvecklades i oberoende linjer. Evolutionsbiologer har till exempel fastställt att skal har utvecklats i minst 18 linjer, ögat har bara utvecklats en gång, flygningen har utvecklats fyra olika gånger (insekter, pterosaurier, fåglar och fladdermöss), glidning har utvecklats vid dussintals tillfällen, en intern skelett har utvecklats självständigt bara en gång, och kamouflage har utvecklats hundratals om inte tusentals gånger. Ju mer strukturellt komplex en given anpassning är, desto mer sällan har den utvecklats självständigt.
Evolutionsbiologin försöker spåra de moderna organismernas härkomst så långt tillbaka som möjligt, för att se hur de utvecklades från ibland mindre sofistikerade stamfader. Till exempel tros alla moderna däggdjur ha utvecklats från en mindre grupp mesozoiska tetrapoder som kallas terapider. Dessa djur levde hela vägen genom dinosauriernas tidsålder, hela 180 miljoner år. Om de inte hade gjort det, skulle moderna däggdjur inte existera. Ett stort genombrott inom evolutionär biologi kom när konsensus dök upp, stödd av fossila bevis, att moderna fåglar hade utvecklats från dinosaurier.
En annan uppgift för evolutionära biologer är att lösa långvariga evolutionära gåtor, till exempel anor till nutida amfibier och sköldpaddor. Det råder för närvarande osäkerhet om vilken forntida amfibiegrupp som gav upphov till moderna groddjur, och om sköldpaddor härstammar från nyare reptiler eller om de splittrades från reptiler strax efter att gruppen utvecklats.