Ochii apar în înregistrările fosile cu aproximativ 540 de milioane de ani în urmă, în zorii perioadei Cambrian. În unele emisiuni de televiziune despre paleontologie, evoluția ochiului este citată drept cauza exploziei cambriene, diversificarea rapidă a vieții animale în perioada cambriană, dar aceasta este doar speculație. Numeroase organisme cu ochi apar în paturile fosile ale Cambrianului, inclusiv trilobiții, conodoții și marele prădător asemănător creveților Anomalocaris.
La un moment dat, s-a crezut că ochii probabil au evoluat din celule sensibile la lumină în cel puțin cinci linii evolutive diferite, dar descoperirile mai recente au scos la îndoială acest lucru, implicând puternic că toate organismele cu ochi provin dintr-un strămoș comun. Desigur, unele organisme, cum ar fi anumite tipuri de faună din peșteri, provin din organisme cu ochi, dar și-au pierdut ochii sau posedă doar ochi vestigali. Toate animalele cu ochi folosesc același tip de proteine, numite opsine, pentru vedere. Există încă posibilitatea ca aceste proteine să fi evoluat independent în linii diferite.
Ochii sunt uneori citați de creaționiști ca exemplu de organ care este prea complex pentru a fi evoluat progresiv și trebuie să fi fost creat de un designer. Cu toate acestea, paleontologii au demonstrat de atunci cum ochiul ar fi putut evolua treptat de la origini umile. Organe simple asemănătoare ochilor pot fi găsite în organisme precum planarii și în numeroase organisme unicelulare, inclusiv euglena, care are un plasture sensibil la lumină.
Etapele evoluției ochiului au fost aproximativ după cum urmează:
1) O regiune de celule fotosensibile.
2) Celulele fotosensibile într-o zonă deprimată, permițând sensibilitatea direcțională.
3) O cameră sferică umplută cu apă, cu o gaură, cunoscută și sub numele de ochi pinhole, care se găsește în nautilus.
4) Un umor transparent umple camera, care este apoi sigilată din exterior.
5) Dezvoltarea distinctă a cristalinului și a corneei.
6) Dezvoltarea unui iris și a cristalinului și a corneei mai sofisticate.
Ochiul este una dintre cele mai vechi evoluții evolutive și a apărut înainte de evoluția multor phyla moderne. Ochiul a evoluat nu foarte mult după primele scoici, o altă adaptare foarte simplă.