Durante los últimos 40 años, los biólogos evolutivos han estado investigando la posibilidad de que algunos cambios evolutivos sucedan de una forma similar al funcionamiento de un reloj. Durante el transcurso de millones de años, en un segmento determinado de ADN pueden acumularse mutaciones a una velocidad fiable. Por ejemplo, el gen que codifica la proteína globina (un componente de la hemoglobina) experimenta cambios de base a una velocidad de 0,56 cambios por par de bases cada mil millones de años*. Si esta velocidad es fiable, podríamos utilizar el gen como un reloj molecular.

Cuando un segmento de ADN se comporta de verdad como un reloj molecular, se convierte en un potente instrumento que permite estimar las fechas en las que sucedieron las separaciones de linajes. Por ejemplo, imagina que un segmento de ADN que se encuentra en dos especies se diferencia en cuatro bases (como se ve más abajo) y sabemos que este segmento completo de ADN cambia a una velocidad aproximada de una base cada 25 millones de años. Eso significa que las dos versiones del ADN difieren en 100 millones de años de evolución y que su antepasado común vivió hace 50 millones de años. Dado que cada linaje ha experimentado su propia evolución, las dos especies deben descender de un antepasado común que vivió hace al menos 50 millones de años.

Este método general se ha utilizado para investigar varias cuestiones importantes, como el origen del hombre moderno, la fecha de la divergencia entre el ser humano y el chimpancé y la fecha de la «explosión» cámbrica.

La utilización de los relojes moleculares para estimar las fechas de separación depende de otros métodos de datación ya que, para calcular la velocidad a la que cambia un segmento de ADN, los biólogos deben utilizar las fechas estimadas mediante otras técnicas de datación relativa y absoluta.