Những thành tựu về di truyền học và sinh học phân tử trong sinh học đã cung cấp phương tiện hàng đầu cho nghiên cứu tiến hóa của loài người[lower-alpha 2], cũng như tiến hóa của sinh giới nói chung. Theo dõi các biến dị trong bộ mã di truyền cho phép xác định sự tiến hóa và phát tán các quần thể người. Trong số đó thì nghiên cứu các vùng mã di truyền sau đây có ứng dụng đặc biệt:[lower-alpha 3]

Đường phát tán loài người theo các nhóm đơn bội mtDNA (dòng mẹ) theo Kalevi Wiik (2008)[8]. Phần màu trắng là đất liền vào thời kỳ băng hà 10 Ka về trước, nay bị chìm dưới biển.Đường phát tán loài người theo các nhóm đơn bội Y-DNA (dòng bố) theo Kalevi Wiik (2008)[8].

• Vùng không tái tổ hợp trên nhiễm sắc thể Y (NRY), gọi là các nhóm đơn bội Y-DNA, là các mã di truyền chỉ truyền theo dòng đực, nhờ đó truy tìm được phả hệ theo bố của cá thể đực. Nó dẫn đến kết luận về ông Adam nhiễm sắc thể Y, tổ phụ gần nhất của tất cả nam giới hiện nay trên thế giới, sống vào cỡ 100 đến 300 Ka BP tại châu Phi.[9][10]
• DNA của ty thể, hay mtDNA, là các mã di truyền chỉ do mẹ truyền cho con (gái & trai), nhờ đó truy tìm được phả hệ theo mẹ của cá thể cái. Nó dẫn đến kết luận về bà Eve ti thể, tổ mẫu gần nhất của tất cả phụ nữ hiện nay trên thế giới, sống vào cỡ 100-200 Ka BP tại châu Phi.[11][lower-alpha 4]

Ngoài ra, các yếu tố như nhóm kháng nguyên bạch cầu (HLA, Human Leucocyte Antigen), dấu chỉ bàn tay,... là biểu hiện của mã di truyền nhưng dễ đo dạc hơn, cũng được sử dụng.

Việc so sánh gen trong di cốt cổ với người hiện đại thì phục vụ truy tìm quan hệ tổ tiên và hậu duệ. Nếu thực hiện thì sẽ xác định được chủ nhân các nền văn hóa cổ, ví dụ ở bán đảo Đông Dương là ai, có liên tục đến nay hay không.

Các nghiên cứu còn thực hiện ở các động thực vật nuôi trồng mà họ mang theo, thậm chí cả vi khuẩn trong bao tử,... Những nghiên cứu này xác định Đông Nam Á là cái nôi thực hiện thuần hóa lúa châu Á Oryza sativa [12] từ lúa hoang Oryza rufipogon từ 8-13 Ka BP.[lower-alpha 5] Có tài liệu nói đến thuần hóa lợn từ 9 Ka BP, nhưng nguồn dẫn chứng thiếu rõ ràng.

Phân bố hiện nay của các ngôn ngữ thuộc ngữ hệ Nam Á, gợi ý hình dung quá trình đông tiến của proto-Austro-Asiatic từ Ấn Độ

Kết quả nghiên cứu sinh học phân tử dẫn đến mô hình được chấp nhận rộng rãi nhất và hợp lý nhất về sinh học, là thuyết "rời khỏi châu Phi" (Out-of-Africa). Thuyết này cho rằng loài người hình thành ở châu Phi và phát tán ra khắp thế giới theo nhiều đợt[13], thể hiện thống trị trên các trang wiki về "Human evolution". Nó làm đảo lộn nhiều giả thuyết trước đây vốn dựa trên thuyết nguồn gốc đa vùng.

Đợt phát tán đầu tiên là cuộc vượt Biển Đỏ của cỡ 150-300 người, xảy ra vào quãng giữa 120 - 60 Ka BP, chiếm lĩnh vùng Cận Đông. Họ phát triển và phát tán về phía đông, đến tận Úc, thể hiện ở hóa thạch Mungo Man 40 Ka BP, và là tổ tiên của thổ dân châu Úc (Aborigine) hiện nay. Rosenberg và các nhà khoa học TQ (2002) thì công bố hóa thạch người tại Liu Jiang (Quảng Tây, TQ, phát hiện 1958) định được tuổi là 67 Ka?[14]. Mặt khác các học giả nói chung đã cho rằng thổ dân Úc không phải là họ hàng gần nhất của một số nhóm người Nam Á hoặc nhóm châu Phi. Mô hình di cư cho thấy tại nơi mà tổ tiên của họ đi qua Nam Á đến Australia mà không pha lẫn di truyền với các quần thể khác trên đường đi[15]. Kỹ thuật di truyền cho thấy hồi 60 Ka BP, số lượng người hiện đại trên toàn hành tinh chỉ khoảng 10 ngàn trong độ tuổi sinh sản[16]. Điều này cho thấy hồi 40 Ka BP thì vùng Đông Nam Á tới Australia đã có người nhưng với mật độ thưa thớt. Họ là những Hoabinhian hay "Proto-Malay", bộ phận còn sót đến ngày nay là những người Negrito.

Liên quan đến đợt di cư sau tới vùng Đông Á thì nghiên cứu gen của Chu J.Y. và cộng sự (1998), cho ra nhiều ý nghĩa[17], thể hiện ở nhận xét "Phát sinh chủng loài học cũng cho rằng có nhiều khả năng tổ tiên của người hiện đang cư trú tại khu vực Đông Á đến từ Đông Nam Á". Các nghiên cứu Y-DNA sau này (2007)[18] thì cho thấy "Sự phổ biến của nhóm đơn bội O1 Y-DNA trong số các sắc tộc Nam Đảo và Thái cũng gợi ý về nguồn gốc tổ tiên chung với các dân tộc Hán-Tạng, Nam Á và H'Mông-Miền vào khoảng 35 Ka BP tại Trung Quốc". Điều này phụ họa với thuyết Out-of-Africa, rằng các nhóm thuộc pro-mongoloid đã hình thành đâu đó ở phía đông của vùng Trăng lưỡi liềm màu mỡ (Fertile Crescent) đến vùng sông Hằng, và đã Đông tiến, một bộ phận theo đường Altai đến Trung Bắc Á, còn bộ phận khác qua Ấn Độ đến Đông Á và Đông Nam Á. Bằng chứng khảo cổ cho thấy người tiền sử đến nam Trung Quốc qua đường Vân Nam từ hơn 30 Ka BP.

Các nghiên cứu gen tốn kém nên tại Việt Nam ít được thực hiện. Một số được thực hiện với sự tài trợ của nước ngoài (Pháp), như nghiên cứu DNA của Vu - Trieu (1997)[19] hay nghiên cứu mtDNA của Ivanova (1999)[20] lại cho ra kết quả [lower-alpha 6] bị phê phán, vì đã chọn số gen ít, không đặc trưng[21], và đặc biệt là lấy mẫu từ người Kinh ở Hà Nội, vốn có nguồn gen phức tạp, có sự tiếp nhận gen từ dòng người Hoa nhập Việt qua ngàn năm bắc thuộc và ngàn năm phong kiến sau đó. Đáng ra họ phải lên vùng núi mà lấy mẫu ở người Mường.

Dẫu vậy thì các nhà nghiên cứu vận dụng thành tựu chung của thế giới về thuyết Out-of-Africa, cho rằng xác suất nguồn gốc người Việt từ phương Bắc xuống là gần bằng 0. Nguồn gốc các dân tộc cần xác định ở dòng chảy chung của quá trình phát tán đông tiến của những người proto-Austro-Asiatic từ tiểu lục địa Ấn Độ bắt đầu vào cỡ 30-40 Ka BP, lúc xảy ra các chủng Indo-European xâm lấn. Trên đường phát tán chung thì một số thị tộc proto-Austro-Asiatic trụ lại đâu đó và tồn tại đến ngày nay ở phía đông Ấn Độ, như các chủng nói tiếng Munda, Khasi thuộc ngữ hệ Nam Á. Bộ phận lớn thì chiếm lĩnh dải từ nam Myanmar, trung Thái Lan đến phía Đông bán đảo Đông Dương, phát triển thành các dân tộc Môn-Khmer hiện nay.[lower-alpha 7][22] Theo nghiên cứu năm 2019 về bộ gen của người Việt thì người Việt đã di cư từ châu Phi từ 200.000 năm trước, khoảng 40.000 - 60.000 năm trước đã đến cư trú tại Việt Nam, sau đó tiếp tục di cư lên các nước Đông Á[23].

Tuy nhiên theo một nghiên cứu mới đây trái với nhận định của viện nghiên cứu tế bào gốc-công nghệ gen Vinmec (VRISG) năm 2019 thì viện nghiên cứu hệ gen Việt Nam hợp tác với viện nhân chủng và tiến hóa Max Planck (Đức), phòng thí nghiệm động lực học ngôn ngữ của Đại học Lion (Pháp) năm 2020 đã chứng minh tổ tiên người Việt có nguồn gốc chủ yếu là những người Đông Á cổ đại trong làn sóng di cư từ Hoa Nam về khu vực Bắc Bộ Việt Nam và trải dài khắp Đông Nam Á từ 2.500-4.000 năm trước.[24][25] Với số lượng mẫu, quy mô nghiên cứu lớn hơn và có độ tin cậy cao được cộng đồng khoa học quốc tế bình duyệt đăng tải trên tạp chí MBE sinh học phân tử và tiến hoá đã mở ra một hướng đi mới trong việc nghiên cứu nguồn gốc của người Việt.[26][27][28]