Das Genom verändert sich von einer Generation zur nächsten. Wichtige Einflüsse sind zum Beispiel der Austausch von Erbmaterial zwischen Chromosomen oder die Verdopplung von Genen bei der Zellteilung. Aus experimentellen Ergebnissen lässt sich abschätzen, dass sich etwa eines von 1000 Genen bei der Zellteilung spontan verdoppelt.
Wird das entsprechende Protein in großer Menge benötigt, so vermehren sich bevorzugt die betreffenden Zellen. Das evolutionäre Ergebnis ist eine Vielzahl von Genkopien, die hintereinander auf einem Chromosom aufgereiht sind (so genannte Tandems).
Besteht kein größerer Bedarf an dem entsprechenden Protein, so ist eines der Gene überflüssig und steht der Zelle gewissermaßen für Neuentwicklungen zur Verfügung. Denn Punktmutationen oder das Einschleusen von Blöcken aus anderen Genabschnitten stören nicht – das ursprüngliche Protein ist ja noch vorhanden. So entsteht die Erbinformation für neue Eiweißmoleküle, die in ihrer Struktur den Ausgangsproteinen verwandt sind. Beispiele sind die Gene für die beiden Ketten des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin – sie liegen beim Menschen als so genannte Cluster mit mehreren Genkopien vor. Dabei gibt es unterschiedliche Gene für das Hämoglobin von Embryonen, Föten und Erwachsenen. Manche Gene zeigen noch ihre evolutionäre Herkunft an, ohne selbst eine Funktion zu besitzen (so genannte Pseudogene).
Auch um die evolutionäre Verwandtschaft zwischen Arten zu beleuchten, eignet sich die Genomanalyse. Dabei erstellen Forscher zum Beispiel einen „genetischen Fingerabdruck“ – bestehend aus charakteristischen Gensequenzen, die nicht für Proteine codieren und somit nicht dem Druck der Evolution unterliegen. Diese unterscheiden sich von Individuum zu Individuum, abhängig von ihrem Verwandtschaftsgrad.
Eine andere Möglichkeit ist, an Hand der Zahl von Mutationen einen Stammbaum zu rekonstruieren, wie Axel Meyer vom Institut für Zoologie der Universität Konstanz erklärt: „Es gibt das Prinzip der molekularen Uhr. Es besagt, dass pro Million Jahre eine bestimmte Anzahl von Mutationen in einem Gen vorkommt. Man kann an Hand der Kalibrierung dieser Uhr also zurückrechnen, wie alt bestimmte Arten sind. Wenn sich zwei Arten zum Beispiel um zwei Prozent unterscheiden, kann man – in Abhängigkeit von der Evolutionsrate des unersuchten Gens, denn verschiedene Gene verändern sich unterschiedlich schnell – feststellen, dass diese Arten vielleicht vor einer Million Jahren einen gemeinsamen Vorfahren hatten. Wenn man diese Sequenzvergleiche nun in vielen Dutzenden oder sogar Hunderten von Arten macht, kann man Stammbäume an Hand solcher Sequenzen herstellen.