Luonnonvalinta on Charles Darwinin alun perin popularisoima teoria. Tämän teorian mukaan eläimet luonnollisessa ympäristössä muuttuvat ajan mittaan hyödyllisten ominaisuuksien säilyessä ja ominaisuudet, jotka eivät edistä lajia, poistetaan hitaasti. Ihmiset sekoittavat joskus tämän teorian evoluutioon; itse asiassa se on vain yksi osa nykyaikaista evoluutiosynteesiä, joka selittää, miten lajit kehittyvät ja muuttuvat ajan myötä.
Darwinin teorian mukaan, joka julkaistiin vuonna 1859 julkaisussa The Origin of Species, mikä tahansa eläinpopulaatio huomioon ottaen voi olla monenlaisia piirteitä. Jos eläimelle kehittyy ominaisuus, joka auttaa sitä selviytymään, se siirtää todennäköisemmin ominaisuuden tuleville sukupolville, mikä johtaa lopulta kyseisen ominaisuuden laajaan esiintymiseen peräkkäisten sukupolvien lisääntymisessä. Tämä voi johtaa siihen, että ajan myötä syntyy kokonaan uusi laji.
Yksi klassinen esimerkki luonnonvalinnasta on Englannin piparkoi. Kun teollinen vallankumous tapahtui, ilmaan pääsi valtavia määriä hiiltä ja muita hiukkasia, mikä muutti joidenkin tehtaiden ympärillä olevat puut mustiksi. Valkopippuriset koit erottuivat jyrkästi puunrunkoja vastaan, mikä teki niistä helpon kohteen linnuille, kun taas tummemmat koit pystyivät pysymään piilossa ja siirtämään tumman värin geenit tuleville sukupolville, koska he elivät tarpeeksi kauan lisääntyäkseen. Lopulta väestö muuttui ensisijaisesti pimeäksi, ja tämä prosessi käännettiin, kun Englanti alkoi ottaa käyttöön puhtaan ilman standardeja, vähentää saastumista ja antaa puiden palata luonnollisempaan sävyyn, joka suosii vaaleita koita.
Darwin vertasi luonnollista valintaa keinotekoiseen valintaan, jonka ihmiset osoittivat kasvattaessaan kasveja ja eläimiä hyödyllisten ominaisuuksien vuoksi. Vaikka Darwin ei ymmärtänyt genetiikkaa, hän tiesi, että hevoskasvattajien kaltaiset ihmiset pystyivät tuomaan esiin parhaat piirteet peräkkäisissä eläinsukupolvissa ja että samanlainen prosessi täytyy tapahtua luonnossa.
Yksi tärkeimmistä luonnollisen valinnan ongelmista itsenäisenä teoriana on se, että se merkitsisi, että lajien tulisi muuttua homogeenisiksi ajan myötä, kun positiivisten ominaisuuksien omaavat eläimet hallitsivat geenipoolia. Kuten useimpien lajien valtava monimuotoisuus osoittaa, tämä ei pidä paikkaansa esimerkiksi geneettisen ajautumisen ja spontaanien mutaatioiden takia, jotka varmistavat, että geenivaranto ei muutu liian yksinkertaiseksi.
Vaikka Darwinin teoria yksin ei riittänyt selittämään evoluutioprosessia, se loi perustan, ja 20 -luvun tutkijat rakensivat sen 1930 -luvulla keksimään täydellisemmän sarjan toisiinsa liittyviä perintöteorioita. Luonnonvalinta näkyy eri tasoilla, antibioottiresistenttien bakteerien kehittymisestä eri ympäristöissä elävien kukkien värimuutoksiin.