Phát sinh chủng loại phân tử (tiếng Anh: Molecular phylogenetics, /məˈlɛkjʊlər ˌfaɪloʊdʒəˈnɛtɪks, mɒ-, moʊ-/[1][2]) là chi nhánh của phát sinh chủng loại học; phân tích sự khác biệt di truyền phân tử, chủ yếu trên các trình tự DNA, để có được thông tin về quan hệ tiến hóa của sinh vật. Kết quả của phân tích phát sinh loài phân tử được thể hiện bằng một cây phát sinh chủng loại. Phát sinh chủng loại phân tử là một khía cạnh của phân loại học phân tử, một thuật ngữ rộng hơn cũng bao gồm việc sử dụng dữ liệu phân tử trong phân loại sinh học và địa lý sinh học.