Một số con đường chuyển hóa trung tâm mà ta vừa nhắc đến ở trên, chẳng hạn như đường phân và chu trình axit citric, là có mặt ở cả ba lãnh giới của các sinh vật sống và hiện diện trong tổ tiên chung phổ biến cuối cùng.[3][108] Tế bào tổ tiên này là sinh vật nhân sơ và có thể là một sinh vật sinh mêtan với một lượng lớn các con đường chuyển hóa axit amin, nucleotide, carbohydrate và lipid.[109][110] Một số con đường cổ xưa vẫn được duy trì đến tận bây giờ. Quá trình tiến hóa có thể đã chọn lọc những con đường này vì tính tối ưu của chúng trong giải quyết các vấn đề chuyển hóa cụ thể, chẳng hạn như với đường phân và chu trình axit citric: hai quá trình này tạo ra các sản phẩm cuối cùng với hiệu quả cao mà số "bước" (số phản ứng) là tối thiểu[4][5] Con đường chuyển hóa đầu tiên dựa trên enzyme có thể là một phần trong quá trình trao đổi chất nucleotide purine, còn các con đường chuyển hóa trước đó là một phần của thế giới RNA cổ đại.[111]

Nhiều mô hình đã được đề xuất để mô tả các cơ chế mà theo đó các con đường trao đổi chất mới được phát triển. Trong số này có thể kể đến như: bổ sung thêm các enzyme mới vào một con đường tổ tiên ngắn, lặp lại và phân kỳ cho toàn bộ con đường, hoặc là tuyển thêm các enzyme đã tồn tại và cải biến chúng thành một con đường phản ứng mới.[112] Tầm quan trọng tương đối của các cơ chế này là không rõ ràng, nhưng các nghiên cứu gen đã chỉ ra rằng các enzyme trong một con đường có thể có một tổ tiên chung, cho thấy rằng nhiều con đường đã phát triển dần dần với các chức năng mới được hình thành từ các bước đã tồn tại trong con đường trước đó.[113] Một mô hình thay thế xuất phát từ các nghiên cứu theo dõi sự tiến hóa của cấu trúc protein trong các mạng lưới chuyển hóa, mô hình này đã gợi ý rằng: các enzyme được tuyển vào là rất phổ biến, hay tức là "mượn" các enzyme để thực hiện các chức năng tương tự trong các con đường trao đổi chất khác nhau (chứng cứ trong cơ sở dữ liệu MANET) [114] dẫn đến tiến hóa khảm nhờ enzyme.[115] Khả năng thứ ba là một số phần của quá trình trao đổi chất có thể tồn tại dưới dạng "module" có thể được tái sử dụng trong các con đường khác nhau và thực hiện các chức năng tương tự trên các phân tử khác nhau.[115]

Cũng như tiến hóa của giúp hình thành các con đường trao đổi chất mới, tiến hóa cũng có thể làm mất một số chức năng trao đổi chất. Ví dụ, ở một số ký sinh trùng, các quá trình chuyển hóa không cần thiết cho việc tồn tại bị mất và các axit amin, nucleotide và carbohydrate hoàn chỉnh có thể được lấy khi "thu dọn" từ vật chủ.[116] Khả năng chuyển hóa tối thiểu tương tự cũng được tìm thấy trong các sinh vật nội cộng sinh.[117]