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계통분류학은 생물계의 다양성을 밝히고, 질서를 찾아 종류별로 나눈 후 계통을 세우고 다양성의 유래를 밝히는 학문이다. 1960년대까지 계통분류학은 주로 형태적·생리적 형질 등의 분석에 근거하여 이러한 연구를 수행해 왔으며, 현재도 이런 연구방법은 계통분류연구의 기본이자 주류를 이루고 있다. 그러나 1960년대 이후에 급속히 발전하기 시작한 분자생물학적 방법론은 생물학의 각 분야에 적용되기 시작했고, 거대분자에 대한 지식이 쌓이면서 계통분류연구에 이 방법과 지식이 도입되기 시작했다.

분자계통분류학에 처음 사용된 거대분자는 단백질이다.

면역학적 방법, 전기영동법과 조직화학염색에 의한 연구는 종들 사이에서 단백질 변이가 많다는 것을 밝혀냈으며, 동위효소(isozyme)나 알로자임(allozyme： 동일유전자좌의 상동인자에 의해 생성된 효소군) 전기영동은 이러한 변이를 비교할 수 있도록 많은 자료를 산출했다. 또한 단백질을 구성하는 아미노산 서열 비교연구에 의해서 분자시계설(分子時計說)이 등장했는데, 이 방법은 생물의 계통(phylogeny)을 추정하는 데 널리 이용되었다. 1970년대 후반부터는 핵산을 조작하고 분석하는 분자생물학의 발전이 DNA(디옥시리보핵산)와 RNA(리보핵산)의 변이에 관한 연구를 가능하게 하여 세포질·핵·미토콘드리아·엽록체에 있는 핵산의 염기서열을 분석하기 시작했다. 종(種) 사이에 DNA를 중합시킨 후, 융해온도의 차이와 제한 효소를 이용해 DNA를 잘랐을 때 나타나는 DNA 절편의 다형현상 등을 연구하게 되었으며, 가장 최근에는 DNA나 RNA의 염기서열을 직접 알아내어 이들 핵산의 1차구조의 비교를 통해 계통연구를 하고 있다. 다양한 생물들의 핵산 염기서열의 비교를 통하여 진화과정에서의 염기치환율을 알 수 있으며, 이는 핵산의 종류와 부위에 따라서 매우 다양하다. 따라서 현재는 핵산의 종류와 부위에 따른 염기서열 비교연구가 특히 많이 이루어지고 있다.