Około 4 miliardy lat temu oceany zaczęły się zagęszczać na Ziemi, a erupcje wulkaniczne uwalniały do pierwotnej atmosfery azot, dwutlenek węgla, metan, amoniak i wodór. Jednak organizmy o cechach życia nie były początkowo obecne na Ziemi. Naukowcy wykorzystali eksperymenty, aby określić, w jaki sposób ewoluowały organizmy, które mogły rosnąć, rozmnażać się i utrzymywać środowisko wewnętrzne.

W latach dwudziestych XX wieku naukowcy Oparin i Haldane zaproponowali ideę, że proste związki biologiczne mogły powstać na wczesnej Ziemi. Ponad 30 lat później Stanley Miller i Harold Urey z University of Chicago przetestowali tę hipotezę, symulując warunki panujące w atmosferze i oceanach wczesnej Ziemi w aparaturze laboratoryjnej. Wykorzystując elektryczność jako źródło energii, eksperyment Millera-Ureya wygenerował aminokwasy i inne cząsteczki organiczne, pokazując, że środowisko wczesnej Ziemi sprzyjało powstawaniu cząsteczek biologicznych. Nowsze eksperymenty przyniosły porównywalne wyniki i sugerują, że aminokwasy mogły powstać w pobliżu obszarów aktywności wulkanicznej lub kominów hydrotermalnych w oceanie.

Aminokwasy i małe cząsteczki organiczne mogą następnie samoorganizować się, tworząc bardziej złożone makrocząsteczki. Na przykład kapanie aminokwasów lub nukleotydów na gorący piasek może spowodować powstanie odpowiednich polimerów, białek i kwasów nukleinowych. Klasa makrocząsteczek zwanych lipidami mogła następnie utworzyć pęcherzyki, zapewniając oddzielne, wewnętrzne środowisko. Ta zdolność do oddzielenia wnętrza od zewnątrz jest jedną z kluczowych cech życia. Inną cechą życia jest posiadanie materiału genetycznego; RNA było prawdopodobnie pierwszą dziedziczną informacją genetyczną. Wyspecjalizowane pęcherzyki, zwane protokomórkami, prawdopodobnie zawierały RNA, które mogło się replikować. Te proste protokomórki mogą również rosnąć i ewoluować, przygotowując grunt pod powstanie życia komórkowego na Ziemi.