1962年，祖卡坎德尔(Zuckerkandl)和鲍林(Pauling)在对比了来源于不同生物系统的同一血红蛋白分子的氨基酸排列顺序之后，发现其中的氨基酸随着时间的推移而以几乎一定的比例相互量换着，即氨基酸在单位时间以同样的速度进行置换。后来，许多学者对若干代表性蛋白质的分析，以及近年来又通过直接对比基因的碱基排列顺序，证实了分子进化速度的恒定性大致成立，并由中立说在理论上奠定了基础。这便是“分子钟”名称的由来。
分子钟的发现迈出了分子进化学发展中最早的一步，特别是提供了在分子水平分析生物系统进化的手段，从这个意义上讲具有更重大的意义。费奇(Fitch)和马戈利来希(Margoriash)通过现存各种动植物和菌类这一广泛范围的生物种采集和提取来的细胞色素C的氨基酸排列顺序，首次再现了这些生物所表达的进化历程。利用这种分子对比而绘制的生物系统树，与以往依据化石绘制的系统树拓扑性质非常一致。沙里奇(Sarih)和威尔逊(Wilson)用分子钟研究灵长类进化问题，得出结论，否定了拉玛古猿是人类直接祖先，表明了人类的出现比原先人们一直相信的年代晚得多。这与古生物学的解释大相径庭。因此，长期以来古生物学家与分子进化学家一直争论激烈，直到最近才终于以大致符合分子钟研究结果的形式而告一段落。
比起依据化石的传统方法，利用分子钟绘制系统树的方法有如下几个优点：
第一，只要比较“现存”生物基因或蛋白质的氨基酸排列顺序即可绘出系统树，仅仅在确定分子钟的走速、量度时间才需要化石资料。
第二，与收集化石相比，工作要简单得多。特别是最近已能轻而易举地确定基因的碱基排列顺序，这一优点就更为突出。
第三，客观而且定量，具有再现性。
但是，另一方面，必须注意到分子进化速度的恒定性并不是在严密的意义上成立的，而是在观察整个漫长的进化过程后平均得出的结论。
就一种蛋白质来讲，在整个进化过程中，进化速度大体恒定；但是一旦改变了蛋白质的种类，速度就会由于作用于各种蛋白质的机能性制约，差异程度大不相同。例如，在属于进化最快一类的纤维蛋白肽与进化非常缓慢的组蛋白之间，速度上就有两位数的差异。
另一方面，在基因方面的置换和编码领域发生同义密码变化的部位(同义部位)进化速度很快，往往超过蛋白质的速度，而且与蛋白质的变化情况成为对照，不同基因之间进化速度相似。
一般情况下，蛋白质进化缓慢，因而适于研究远缘种间的系统关系，而DNA的分子钟速度快，适宜分析近缘种间的进化。DNA分子钟研究速度均一，不因基因而异，所以只要知道平均值就可以适用于任何基因；另外还可以叠合由不同基因获得的结果。因此，为了绘出正确的生物进化系统树，还需要在大量数据的基础上进行考察。由于种种原因，进化速度会有波动，仅由一种数据得出的结果有可能导致局部错误的结论。
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