Η φυσική επιλογή είναι μια θεωρία που αρχικά διαδόθηκε από τον Κάρολο Δαρβίνο. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, τα ζώα στο φυσικό περιβάλλον αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου καθώς διατηρούνται τα ευεργετικά χαρακτηριστικά και τα χαρακτηριστικά που δεν προάγουν το είδος εξαφανίζονται αργά. Οι άνθρωποι μερικές φορές μπερδεύουν αυτή τη θεωρία με την εξέλιξη. Στην πραγματικότητα, είναι μόνο ένα συστατικό της σύγχρονης εξελικτικής σύνθεσης που εξηγεί πώς τα είδη εξελίσσονται και αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.
Σύμφωνα με τη θεωρία του Δαρβίνου, που δημοσιεύτηκε το 1859 στο The Origin of Species, δεδομένου οποιουδήποτε πληθυσμού ζώων, μπορεί να υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία χαρακτηριστικών. Εάν ένα ζώο αναπτύξει ένα χαρακτηριστικό που το βοηθά να επιβιώσει, θα είναι πιο πιθανό να μεταδώσει το χαρακτηριστικό στις μελλοντικές γενιές, με αποτέλεσμα τελικά την ευρεία εμφάνιση αυτού του χαρακτηριστικού καθώς οι διαδοχικές γενιές αναπαράγονται. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει στην εμφάνιση ενός εντελώς νέου είδους με την πάροδο του χρόνου.
Ένα κλασικό παράδειγμα φυσικής επιλογής είναι ο πιπερατισμένος σκόρος στην Αγγλία. Όταν συνέβη η Βιομηχανική Επανάσταση, τεράστιες ποσότητες άνθρακα και άλλων σωματιδίων εισήλθαν στον αέρα, μαυρίζοντας τα δέντρα γύρω από ορισμένα εργοστάσια. Οι σκόροι με λευκό πιπέρι ξεχώριζαν έντονα στους κορμούς των δέντρων, καθιστώντας τους εύκολους στόχους για τα πουλιά, ενώ οι πιο σκούροι σκώροι μπορούσαν να παραμείνουν κρυφοί, μεταβιβάζοντας τα γονίδια για σκούρο χρωματισμό στις μελλοντικές γενιές επειδή έζησαν αρκετά για να αναπαραχθούν. Τελικά, ο πληθυσμός έγινε κυρίως σκοτεινός και αυτή η διαδικασία αντιστράφηκε όταν η Αγγλία άρχισε να θεσπίζει πρότυπα καθαρού αέρα, μειώνοντας τη ρύπανση και επιτρέποντας στα δέντρα να επιστρέψουν σε μια πιο φυσική απόχρωση που ευνοούσε τους ωχρούς σκώρους.
Ο Δαρβίνος συνέκρινε τη φυσική επιλογή με την τεχνητή επιλογή που επιδεικνύεται από τους ανθρώπους όταν εκτρέφουν φυτά και ζώα για ευεργετικά χαρακτηριστικά. Αν και ο Δαρβίνος δεν καταλάβαινε τη γενετική, γνώριζε ότι άνθρωποι όπως οι εκτροφείς αλόγων ήταν σε θέση να αναδείξουν τα καλύτερα χαρακτηριστικά σε διαδοχικές γενιές ζώων και ότι μια παρόμοια διαδικασία πρέπει να συμβαίνει στη φύση.
Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα με τη φυσική επιλογή ως αυτόνομη θεωρία είναι ότι θα υπονοούσε ότι τα είδη πρέπει να γίνουν ομοιογενή με την πάροδο του χρόνου, καθώς ζώα με θετικά χαρακτηριστικά κυριαρχούσαν στη γονιδιακή δεξαμενή. Όπως αποδεικνύεται από την τεράστια ποικιλομορφία στα περισσότερα είδη, αυτό δεν συμβαίνει, λόγω πραγμάτων όπως η γενετική μετατόπιση και οι αυθόρμητες μεταλλάξεις, που διασφαλίζουν ότι η δεξαμενή γονιδίων δεν γίνεται πολύ απλοϊκή.
Ενώ η θεωρία του Δαρβίνου από μόνη της δεν ήταν αρκετή για να εξηγήσει τη διαδικασία της εξέλιξης, έθεσε τις βάσεις και οι επιστήμονες του 20ου αιώνα έχτισαν πάνω της τη δεκαετία του 1930 για να καταλήξουν σε μια πιο ολοκληρωμένη σειρά διασυνδεδεμένων θεωριών κληρονομικότητας. Η φυσική επιλογή μπορεί να παρατηρηθεί σε διάφορα επίπεδα, από την ανάπτυξη βακτηρίων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά έως τις χρωματικές παραλλαγές στα λουλούδια που ζουν σε διαφορετικά περιβάλλοντα.