Nhịp điệu sinh học cho phép các sinh vật dự đoán và chuẩn bị cho những thay đổi môi trường thường xuyên và chính xác. Do đó, chúng giúp cho các sinh vật tận dụng tốt nhất nguồn tài nguyên môi trường (ví dụ ánh sáng và thực phẩm) so với những sinh vật không thể dự đoán những điều có thể có như vậy. Vì vậy, nhịp điệu sinh học hàng ngày được cho là đặt các sinh vật ở một lợi thế chọn lọc trong quá trình tiến hóa. Tuy nhiên, nhịp điệu dường như cũng quan trọng trong việc điều hoà và điều phối các quá trình trao đổi chất bên trong, cũng như phối hợp với môi trường [18]. Điều này được gợi ý bằng cách duy trì (di truyền) các nhịp điệu sinh học hàng ngày trong ruồi giấm sau vài trăm thế hệ trong điều kiện phòng thí nghiệm liên tục [19], cũng như trong các sinh vật trong bóng tối liên tục trong tự nhiên, và bằng cách loại trừ thực nghiệm của hành vi, nhưng không sinh lý, nhịp điệu sinh học hàng ngày trong chim cút.[20][21]

Điều gì thúc đẩy nhịp sinh học tiến hóa đã là một câu hỏi khó hiểu. Các giả thuyết trước nhấn mạnh rằng các protein cảm quang và nhịp điệu sinh học hàng ngày có thể có nguồn gốc từ các tế bào sớm nhất, với mục đích bảo vệ việc tái bản ADN từ các mức độ bức xạ tia cực tím ở mức cao vào ban ngày. Kết quả là sao chép được chuyển vào bóng tối. Tuy nhiên, bằng chứng cho điều này là thiếu, vì các sinh vật đơn giản nhất với nhịp điệu sinh học hàng ngày, vi khuẩn lam, làm ngược lại điều này - chúng phân chia nhiều hơn vào ban ngày [22] Gần đây các nghiên cứu thay vào đó làm nổi bật tầm quan trọng của việc đồng tiến hóa các protein dưỡng hóa với các dao động hàng ngày trong cả ba lĩnh vực của cuộc sống sau sự kiện oxy hóa lớn khoảng 2,3 tỷ năm trước.[1][3] Theo quan niệm hiện nay thì sự thay đổi hàng ngày của mức độ oxy môi trường và sự sản xuất các loại oxy phản ứng (reactive oxygen species (ROS)) với sự có mặt của ánh sáng ban ngày có thể dẫn đến nhu cầu tiến hóa nhịp sinh học để ngăn ngừa, và do đó kháng cự lại sự hư hại phản ứng dưỡng hóa trên cơ sở hàng ngày.

Đồng hồ sinh học đơn giản nhất được biết đến là của sinh vật nhân sơ vi khuẩn lam. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng đồng hồ sinh học của Synechococcus elongatus có thể được tái tạo trong ống nghiệm với chỉ ba protein (KaiA, KaiB, KaiC)[23] của bộ dao động trung tâm của chúng. Đồng hồ này đã được chứng minh là duy trì nhịp điệu 22 giờ trong vài ngày khi bổ sung ATP. Những giải thích trước đây về sự tính giờ hàng ngày của sinh vật nhân sơ phụ thuộc vào cơ chế phản hồi phiên mã / dịch mã ADN. [cần dẫn nguồn]

Một khiếm khuyết trong tương đồng của gen con người "thời kỳ" Drosophila được xác định là nguyên nhân gây ra chứng rối loạn giấc ngủ FASPS, nhấn mạnh tính chất bảo tồn của đồng hồ sinh học phân tử thông qua quá trình tiến hóa. Nhiều thành phần di truyền của đồng hồ sinh học bây giờ được biết đến. Sự tương tác của chúng dẫn đến vòng liên hệ ngược phối hợp của các sản phẩm gen với nhau dẫn đến các biến động theo chu kỳ mà các tế bào của cơ thể giải thích như là một khoảng thời gian cụ thể trong ngày [cần dẫn nguồn]

Bây giờ được biết rằng đồng hồ sinh học phân tử có thể hoạt động trong một tế bào; tức là nó là tế bào tự trị [24]. Điều này đã được thể hiện bởi Gene Block ở các tế bào thần kinh BRN động vật thân mềm được cô lập [cần giải thích][25]. Đồng thời, các tế bào khác nhau có thể giao tiếp với nhau tạo ra kết quả đồng bộ của tín hiệu điện. Chúng có thể liên kết với các tuyến nội tiết của não để dẫn đến sự phóng thích hormone. Các thụ thể của các hoóc môn này có thể nằm ở khắp cơ thể và đồng bộ hóa các đồng hồ ngoại vi của các cơ quan khác nhau. Do đó, thông tin về thời gian trong ngày được chuyển tiếp bằng mắt đi theo đồng hồ trong não, và thông qua đó, đồng hồ trong phần còn lại của cơ thể có thể được đồng bộ. Đây là cách thời gian, ví dụ, giấc ngủ / thức tỉnh, nhiệt độ cơ thể, khát, và sự thèm ăn được điều khiển đồng bộ bằng đồng hồ sinh học. [cần dẫn nguồn]