Drzewa filogenetyczne obrazują ewolucyjne relacje między organizmami. Relacje mają formę drzewa z końcówkami, gałęziami, węzłami i korzeniem.

W szczególności czubki drzewa reprezentują istniejące lub żyjące taksony, a gałęzie oznaczają zmiany ewolucyjne między przodkami i potomkami, takie jak zmiana sekwencji DNA lub ewolucja cechy, takiej jak pióra.

Grupy, które mają wspólnego bezpośredniego przodka, taksony siostrzane, są ich najbliższymi krewnymi i mają wspólne węzły, punkty, w których spotykają się gałęzie, takie jak jaszczurki, ptaki, gryzonie i ludzie. Węzeł podstawowy odpowiada najnowszemu wspólnemu przodkowi wszystkich organizmów w drzewie.

Drzewa filogenetyczne grupują organizmy, które są potomkami wspólnego przodka.

Kiedy grupa zawiera najnowszego wspólnego przodka i wszystkich jego potomków, nazywa się ją kladem lub grupą monofiletyczną. Na przykład wszystkie żyjące kręgowce z piórami są uważane za ptaki.

Grupa parafiletyczna obejmuje wspólny gatunek przodków i niektórych jego potomków. Na przykład wszystkie łuskowate zwierzęta z czterema nogami są, z wyłączeniem ssaków i ptaków.

Historycznie rzecz biorąc, biolodzy klasyfikowali również niektóre organizmy jako polifiletyczne. To porzucone oznaczenie grupowało organizmy, które nie mają bezpośredniego wspólnego przodka. Na przykład Insectivora to bezzębne, żywiące się owadami ssaki.

Ewolucyjne pokrewieństwo między organizmami można określić, porównując cechy morfologiczne lub genetyczne.

Aby skonstruować dokładne drzewa filogenetyczne, naukowcy sięgnęli po takie metody, jak maksymalna oszczędność i maksymalne prawdopodobieństwo. Stosując maksymalną oszczędność, zakłada się najmniejszą ilość zmian między organizmami.

Zastanówmy się nad ułożeniem łosia, łososia i wieloryba na drzewie filogenetycznym. Zarówno łosoś, jak i wieloryb są zwierzętami morskimi. Wydawałoby się, że najprostszym wyjaśnieniem jest to, że łosoś i wieloryby są grupą monofiletyczną.

Bliższe przyjrzenie się ich anatomii ujawnia jednak, że wieloryb i łoś są bliżej spokrewnione. Umieszczenie łosi i wielorybów razem zakłada mniej zmian ewolucyjnych, mniej skomplikowany scenariusz, który jest celem analizy maksymalnej oszczędności.

Alternatywne podejście, maksymalne prawdopodobieństwo, bierze pod uwagę, że nie wszystkie zmiany są jednakowo prawdopodobne. Można więc skonstruować drzewo filogenetyczne w oparciu o najbardziej prawdopodobny scenariusz, który prowadzi do obserwowanych organizmów.

Na przykład naukowcy konstruujący drzewo filogenetyczne na podstawie sekwencji DNA mogą wziąć pod uwagę, że adenina jest łatwiej zastępowana przez guaninę niż przez tiaminę.

Zaawansowane algorytmy komputerowe pomagają w budowie najbardziej oszczędnych i najprawdopodobniej filogenetycznych drzew.