Há cerca de 4 mil milhões de anos, os oceanos começaram a condensar na Terra enquanto que erupções vulcânicas libertaram nitrogénio, dióxido de carbono, metano, amoníaco e hidrogénio na atmosfera primitiva. No entanto, organismos com as características da vida não estavam inicialmente presentes na Terra. Os cientistas usaram experimentação para determinar como os organismos evoluíram de forma a poderem crescer, reproduzir-se e manterem um ambiente interno.

Na década de 1920, os cientistas Oparin e Haldane propuseram a ideia de que compostos biológicos simples poderiam ter-se formado no na Terra primitiva. Mais de 30 anos depois, Stanley Miller e Harold Urey, da Universidade de Chicago, testaram essa hipótese simulando as condições da atmosfera terrestre e dos oceanos em um aparelho de laboratório. Usando a eletricidade como fonte de energia, a experiência Miller-Urey gerou aminoácidos e outras moléculas orgânicas, mostrando que o ambiente da Terra primitiva era propício para a formação de moléculas biológicas. Experiências mais recentes produziram resultados comparáveis e sugerem que aminoácidos podem ter-se formado perto de áreas de atividade vulcânica ou aberturas hidrotermais no oceano.

Aminoácidos e pequenas moléculas orgânicas podem então ter-se auto-montado para formar macromoléculas mais complexas. Por exemplo, deitando aminoácidos ou nucleótidos na areia quente pode resultar na formação de polímeros, proteínas e ácidos nucleicos correspondentes, respectivamente. Uma classe de macromoléculas chamadas lípidos pode ter então formado vesículas fornecendo um ambiente interno separado. Essa habilidade de separar o interior do exterior é uma das características-chave da vida. Outra característica da vida é a posse de material genético; o RNA foi provavelmente a primeira informação genética hereditária. Vesículas especializadas, chamadas protocélulas, provavelmente continham RNA que poderia se replicar. Essas protocélulas simples também poderiam crescer e evoluir, preparando o cenário para a formação da vida celular na Terra.