Quando Charles Darwin (1809-1882) publicou A origem das espécies em 1859 os processos evolutivos envolvendo seleção natural tornaram-se fundamentais para explicar a diferenciação entre seres vivos. Passaram-se anos até a conciliação dessas ideias com a genética mendeliana – assim chamada por ter sido desvendada pelo monge austríaco Gregor Mendel (1822–1884) – e a descoberta das moléculas de DNA (na segunda metade do século 19) e de sua estrutura (na segunda metade do século 20). 

A partir do final do século 20, ocorre um acúmulo de dados obtidos a partir do sequenciamento de moléculas de DNA de diversos organismos. A comparação entre sequências de DNA nesses organismos levou ao reconhecimento de que a maioria das mutações que ocorriam no DNA não estavam sendo fixadas por meio de seleção natural, mas sim a partir da deriva genética aleatória (ou seja, ocorriam ao acaso). Mutações são trocas/substituições entre bases nitrogenadas (Adenina, Guanina, Citosina e Timina, que compõem nosso código genético, representadas pelas letras A, G, C e T) em uma determinada posição no DNA. 

O relógio molecular surge como uma hipótese – que, depois, foi verificada por meio de análises moleculares – de que mutações ocorrem nas sequências de DNA em uma taxa constante ao longo do tempo, como o tic-tac de um relógio. Portanto, apesar dessas trocas serem aleatórias, quando observadas a partir de um longo período de tempo, substituições ocorrem em uma taxa relativamente constante, dando origem ao relógio molecular. Desse modo, é esperado que a diferença entre sequências de DNA esteja correlacionada e aumente com relação ao tempo de divergência entre espécies (quando duas espécies com origem comum se diferenciam). A esse processo deu-se o nome de datação com relógio molecular. 

É importante ressaltar que diferentes regiões do DNA apresentam taxas distintas para o relógio molecular. Além disso, esse processo se aplica a regiões chamadas de neutras que não estão sob processos seletivos, os quais, por sua vez, retardam ou aceleram as taxas de evolução. Mas o que são as regiões neutras? Para entender, é preciso saber que uma mutação pode ser positiva, negativa, ou não ter efeito sobre a adaptação dos indivíduos (neutra). As negativas ou positivas irão sofrer um processo de seleção natural, em suas diferentes formas, enquanto as neutras são afetadas pela deriva genética, ou seja, por processos aleatórios determinando se serão herdadas ao longo das gerações. Portanto, somente as regiões do DNA que não se encontram em processo de seleção, as regiões neutras, evoluem de acordo com o relógio molecular.

Assim, o relógio molecular fornece uma ferramenta para que eventos evolutivos, como a divergência entre espécies, possam ser datados e analisados em relação à história da Terra. Como em outras análises estatísticas, a datação para a separação entre duas espécies (por exemplo, entre seres humanos e chimpanzés) é apresentada pelos cientistas como um intervalo de confiança que possui os valores mais prováveis para esse evento. Utilizando a datação por relógio molecular, é estimado que as linhagens que deram origem a chimpanzés e humanos divergiram a partir de um ancestral há, aproximadamente, 7 a 13 milhões de anos.