Tiến hóa trong sinh vật xảy ra thông qua những thay đổi trong các tính trạng - những đặc điểm riêng của một sinh vật. Chẳng hạn, ở con người, màu mắt là một đặc tính di truyền và một cá nhân có thể thừa hưởng "tính trạng mắt nâu" từ bố hoặc mẹ[65] Các tính trạng được các gen kiểm soát và tập hợp đầy đủ những gen trong một cơ thể sống được gọi là kiểu gen của nó.[66]

Mặt khác, tập hợp đầy đủ các đặc điểm quan sát được làm nên cấu trúc và hành vi của một cơ thể sống được gọi là kiểu hình của nó. Những đặc điểm này đến từ sự tương tác giữa kiểu gen với môi trường[67] Kết quả là, nhiều khía cạnh của kiểu hình một sinh vật không được truyền lại. Chẳng hạn, làn da rám nắng đến từ tương tác giữa kiểu gen của một người và ánh sáng mặt trời; do đó, sự rám nắng này không được truyền cho con cái của họ. Tuy nhiên, vài người có thể rám dễ dàng hơn những người khác, đó là do sự khác biệt trong kiểu gen của họ; một ví dụ nổi bật là những người thừa hưởng tính trạng bạch tạng, người không hề rám chút nào và rất nhạy cảm với nắng gắt.[68]

Các đặc tính di truyền truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác thông qua DNA, một phân tử mã hóa thông tin di truyền.[66] DNA là một phân tử polymer sinh học dài, cấu tạo từ bốn đơn vị cơ bản (gọi là nucleotide). Chuỗi các nucleotide dọc theo một phân tử DNA riêng rẽ đặc trưng cho thông tin di truyền, theo cách tương tự như chuỗi những ký tự ghi lại một câu. Trước khi một tế bào phân chia, DNA được sao chép, do đó mỗi một (trong hai) tế bào sinh ra sẽ thừa hưởng chuỗi DNA đó. Các phần của một phân tử DNA đặc trưng cho một đơn vị chức năng riêng lẻ được gọi là gen, các gen khác nhau có những chuỗi nucleotide khác nhau. Bên trong các tế bào, các đoạn DNA dài tạo nên những cấu trúc đặc gọi là nhiễm sắc thể. Vị trí riêng của một chuỗi DNA trong một nhiễm sắc thể được gọi là quỹ đạo (locus). Nếu một chuỗi DNA ở một locus khác nhau giữa các cá nhân, các dạng khác nhau của chuỗi này được gọi là alen. Các chuỗi DNA có thể thay đổi thông qua các đột biến, sinh ra những alen mới. Nếu một sự đột biến xảy ra trong một gen, alen mới sẽ ảnh hưởng tới đặc điểm mà gen đó đảm nhiệm, thay đổi kiểu hình của sinh vật.[69] Tuy nhiên, trong khi sự tương ứng đơn giản này giữa alen và một tính trạng thể hiện trong một số trường hợp, hầu hết các tính trạng phức tạp hơn và được điều khiển bởi Lô-cut tính trạng số lượng (nhiều gen tương tác với nhau).[70][71]

Những phát hiện gần đây đã xác nhận những ví dụ quan trọng của những biến đổi có thể di truyền không thể giải thích bằng sự thay đổi đối với chuỗi các nucleotid trong DNA. Những hiện tượng này được xếp vào những hệ thống di truyền ngoài gen (epigenetic).[72] Sự metyl hóa DNA tạo chất nhiễm sắc (chromatin), các vòng trao đổi chất tự duy trì, tắt gen bằng can thiệp RNA và tương thích ba chiều các protein (như Thể đạm độc) là những lĩnh vực mà các hệ thống di truyền ngoài gen đã được khám phá ở mức độ sinh vật.[73][74] Các nhà sinh vật học phát triển đề xuất rằng những tương tác phức tạp trong mạng lưới di truyền và liên kết giữa các tế bào có thể dẫn đến những biến dị có thể ẩn chứa vài cơ chế trong sự tạo liên kết thần kinh trong quá trình phát triển và sự hội tụ tiến hóa bất chấp những biến đổi trung gian.[75] Khả năng di truyền cũng xuất hiện ở những quy mô lớn hơn nữa. Chẳng hạn, sự kế tục về sinh thái qua các quá trình biến cải môi trường của sinh vật được xác định thông qua những hoạt động thường xuyên và lặp lại của các sinh vật trong môi trường của chúng. Điều này tạo nên một di sản các tác động làm thay đổi và phản hồi trong quy luật chọn lọc của các thế hệ kế tiếp. Các thế hệ con cháu thừa hưởng gen cộng với các đặc trưng môi trường tạo ra bởi các hoạt động sinh thái của tổ tiên chúng.[76] Những ví dụ khác của khả năng di truyền trong tiến hóa không phải dưới sự kiểm soát trực tiếp của gen bao gồm sự kế thừa những đặc điểm văn hóa và di truyền nội cộng sinh (symbiogenesis).[77][78]