Árvores filogenéticas retratam a evolução evolutivas entre organismos. Os relacionamentos assumem a forma de uma árvore com pontas, galhos, nós e uma raiz. Especificamente, as pontas da árvore representam o existente, ou vivo, táxons e os ramos denotam mudanças evolutivas entre ancestrais e descendentes, como uma mudança na sequência de DNA, ou a evolução de uma característica, como penas.

Grupos que compartilham um ancestral comum imediato, táxon-irmã, são seus parentes mais próximos e compartilham nós, pontos onde os galhos se encontram, como lagartos e pássaros e roedores e humanos. Um nó basal corresponde ao ancestral comum mais recente de todos os organismos na árvore. Árvores filogenéticas agrupam organismos que são descendentes de um ancestral comum.

Quando um grupo contém o ancestral comum mais recente e todos os seus descendentes, é chamado de clado, ou um grupo monofilético. Por exemplo, todos os vertebrados vivos com penas são considerados pássaros. Um grupo parafilético inclui uma espécie ancestral comum e alguns de seus descendentes.

Por exemplo, todos os animais escamosos com quatro patas são répteis, com a exclusão de mamíferos e pássaros. Historicamente, os biólogos também classificaram alguns organismos como polifiléticos. Esta designação abandonada agrupava organismos que não compartilham um ancestral comum imediato.

Por exemplo, Insectívora são mamíferos sem dentes comedores de insetos. As relações evolutivas entre organismos podem ser determinadas comparando-se características morfológicas ou genéticas. Para construir árvores filogenéticas precisas, cientistas se voltaram para métodos, como máxima parcimônia e máxima verossimilhança.

Usando o máximo de parcimônia, um assume a menor quantidade de mudança entre organismos. Considere o arranjo de alces, salmões e baleias em uma árvore filogenética. Tanto o salmão quanto as baleias são animais marinhos.

Parece que a explicação mais simples é que o salmão e as baleias são um grupo monofilético. Uma olhada mais de perto em sua anatomia, no entanto, revela que a baleia e o alce estão mais intimamente relacionados. Colocar alces e baleias juntos pressupõe menos mudanças evolutivas, um cenário menos complicado que é o objetivo da análise de máxima parcimônia.

Uma abordagem alternativa, verossimilhança máxima, leva em consideração que nem todas as mudanças são igualmente prováveis. Então, pode-se construir uma árvore filogenética baseada no cenário mais provável que leva aos organismos observados. Por exemplo, os cientistas construindo a árvore filogenética a partir de sequências de DNA pode levar em consideração que a adenina é mais facilmente substituída por guanina, do que por tiamina.

Algoritmos de computador sofisticados ajudam na construção das mais parcimoniosos e provavelmente verossímeis árvores filogenéticas.