En la primera mitad del siglo XX se han producido nuevos descubrimientos y aportaciones teóricas en el campo de la Genética, la Sistemática y la Paleontología que consolidan definitivamente la teoría de la evolución por selección natural. Con el redescubrimiento de las Leyes de Mendel se produce un gran desarrollo de la Genética, ciencia a través de la cual se han venido resolviendo gran parte de las cuestiones que Darwin había dejado pendientes.
Desde el punto de vista de la genética, las variaciones sobre las que actúa la selección natural tienen su origen en pequeños cambios producidos por mutación en el material hereditario. La consecuencia de estos cambios es la parición de nuevos alelos, los cuales se heredan independientemente, tal como habían establecido las Leyes de Mendel. Así la actuación de la selección natural conduce a que unos alelos tengan mayor representación que otros en la siguiente generación y esa alteración continuada es una de las causas de la aparición de las nuevas especies. La evolución pasa a ser considerada en términos de cambios en las frecuencias alélicas y sólo el estudio poblacional permite poner de manifiesto esos cambios.
El descubrimiento de la naturaleza de los genes, del código genético, la expresión génica y su regulación, entre otras aportaciones de la Genética Molecular, nos han permitido establecer la relación de parentesco entre todos los seres vivos, contemplar las conexiones, directas unas veces e indirectas en la mayoría de los casos, entre genes y fenotipo y desterrar para siempre nociones como la herencia de los caracteres adquiridos o la tendencia a la perfección.
La Sistemática también experimenta en esta época un cambio de concepción pasando a interpretar los resultados de la actividad taxonómica a la luz de la teoría de la evolución por selección natural.
El concepto biológico de especie define a ésta como el conjunto de poblaciones naturales de organismos que forman una comunidad reproductivamente aislada de otras comunidades de organismos. La especie deja de ser una entidad ideal delimitada, morfológica y fisiológicamente, y se convierte en un conjunto de variedades distribuidas geográficamente que reflejan las diferentes adaptaciones a los ambientes locales por los que se distribuye, este enfoque pone de manifiesto la importancia del aislamiento geográfico para la especiación. Las barreras geográficas actuarían impidiendo el intercambio de genes entre dos poblaciones de una misma especie. Si el periodo de tiempo que dura el aislamiento es suficientemente largo, las posibles adaptaciones a situaciones ambientales diferentes llevarían a la divergencia genética de las poblaciones aisladas geográficamente y, con ello, al aislamiento reproductivo y a la aparición de nuevas especies.
Los datos aportados por el registro fósil fueron interpretados hasta comienzos del siglo XX de muy diversa manera. La teoría de la evolución por selección natural dio un marco para interpretar ese registro fósil y la obra de George G, Simpson “Tempo and mode in evolution” sentó las bases de la nueva concepción de la Paleontología. Este autor señala que los datos paleontológicos constatan el hecho de la evolución y que ocurre por la aparición de pequeñas variaciones, que se extienden poco a poco en las poblaciones provocando la aparición gradual de nuevas especies a partir de otras ya existentes.
La síntesis de la obra de Darwin con los trabajos procedentes de la Genética, la Zoología, la Paleontología o la Botánica forman un marco coherente y claro del cambio evolutivo conocido como Teoría Sintética de la Evolución.