Los científicos han descubierto miles de especímenes fósiles que representan a miembros de la familia humana. Un gran número de ellos no puede asignarse a la especie humana moderna, Homo sapiens. La mayoría de estos especímenes han sido bien datados, a menudo mediante técnicas radiométricas. Revelan un árbol muy ramificado, algunas de cuyas partes trazan una secuencia evolutiva general que va desde las formas simiescas hasta los humanos modernos.
Los paleontólogos han descubierto numerosas especies de simios extintos en estratos rocosos que tienen más de cuatro millones de años, pero nunca un miembro de la familia humana de esa gran edad. El Australopithecus, cuyos primeros fósiles conocidos tienen unos cuatro millones de años, es un género con algunos rasgos más cercanos a los simios y otros más cercanos a los humanos modernos. En cuanto al tamaño del cerebro, el Australopithecus era apenas más avanzado que los simios. Algunas características, como los brazos largos, las piernas cortas, la estructura intermedia de los dedos y los rasgos de las extremidades superiores, indican que los miembros de esta especie pasaban parte del tiempo en los árboles. Pero también caminaban erguidos sobre el suelo, como los humanos. Se han descubierto huellas bípedas de Australopithecush, bellamente conservadas con las de otros animales extintos, en ceniza volcánica endurecida. La mayoría de nuestros antepasados Australopithecus murieron hace cerca de dos millones y medio de años, mientras que otras especies de Australopithecus, que se encontraban en las ramas laterales del árbol humano, sobrevivieron junto a homínidos más avanzados durante otro millón de años.
Los huesos distintivos de las especies más antiguas del género humano, Homo, se remontan a estratos rocosos de unos 2,4 millones de años. Los antropólogos físicos coinciden en que el Homo evolucionó a partir de una de las especies de Australopithecus. Hace dos millones de años, los primeros miembros del Homo tenían un tamaño medio del cerebro una vez y media mayor que el del Australopithecus, aunque todavía era sustancialmente menor que el de los humanos modernos. Las formas de los huesos de la pelvis y de las piernas sugieren que estos primeros Homo no eran escaladores a tiempo parcial como los Australopithecus, sino que caminaban y corrían sobre piernas largas, como los humanos modernos. Al igual que el Australopithecus mostraba un complejo de rasgos simiescos, humanos e intermedios, el Homo primitivo era intermedio entre el Australopithecus y los humanos modernos en algunos rasgos, y cercano a los humanos modernos en otros aspectos. Las primeras herramientas de piedra tienen prácticamente la misma edad que los primeros fósiles de Homo. El Homo primitivo, con su cerebro más grande que el del Australopithecus, fabricaba herramientas de piedra.
El registro fósil del intervalo entre hace 2,4 millones de años y el presente incluye los restos esqueléticos de varias especies asignadas al género Homo. Las especies más recientes tenían cerebros más grandes que las más antiguas. Este registro fósil es lo suficientemente completo como para demostrar que el género humano se extendió por primera vez desde su lugar de origen en África a Europa y Asia hace algo menos de dos millones de años. Los distintos tipos de herramientas de piedra se asocian a varias poblaciones. Las especies más recientes, con cerebros más grandes, solían utilizar herramientas más sofisticadas que las especies más antiguas.
La biología molecular también ha proporcionado pruebas sólidas de la estrecha relación entre los humanos y los simios. El análisis de muchas proteínas y genes ha demostrado que los seres humanos son genéticamente similares a los chimpancés y gorilas y menos similares a los orangutanes y otros primates.
Incluso se ha extraído ADN de un esqueleto bien conservado de la criatura humana extinta conocida como Neanderthal, un miembro del género Homo y a menudo considerado como una subespecie de Homo sapiens o como una especie separada. La aplicación del reloj molecular, que hace uso de las tasas conocidas de mutación genética, sugiere que el linaje del Neanderthal se separó del del Homo sapiens moderno hace menos de medio millón de años, lo que es totalmente compatible con las pruebas del registro fósil.
Basándose en los datos moleculares y genéticos, los evolucionistas están a favor de la hipótesis de que los Homosapiens modernos, individuos muy parecidos a nosotros, evolucionaron a partir de otros arcaicos hace unos 100.000 a 150.000 años. También creen que esta transición se produjo en África y que los humanos modernos se dispersaron por Asia, Europa y, finalmente, Australasia y América.
Los descubrimientos de restos de homínidos durante las últimas tres décadas en África oriental y meridional, Oriente Medio y otros lugares se han combinado con los avances de la biología molecular para iniciar una nueva disciplina: la paleoantropología molecular. Este campo de investigación está proporcionando un inventario cada vez mayor de pruebas de una afinidad genética entre los seres humanos y los simios africanos.
Las encuestas de opinión muestran que mucha gente cree que la intervención divina guió activamente la evolución de los seres humanos. La ciencia no puede pronunciarse sobre el papel que podrían desempeñar las fuerzas sobrenaturales en los asuntos humanos. Pero las investigaciones científicas han concluido que las mismas fuerzas responsables de la evolución de todas las demás formas de vida en la Tierra pueden explicar la evolución de los seres humanos.