W myśl teorii A. Oparina, potwierdzonej doświadczeniami S. Millera i H. Urey związki organiczne powstały samorzutnie ze składników nieorganicznych zawartych w pierwotnej, beztlenowej atmosferze Ziemi, takich jak wodór, azot, para wodna, tlenki węgla, amoniak, przy udziale energii wyzwalanej w wyładowaniach atmosferycznych, wybuchach wulkanów, reakcjach jądrowych, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Powstałe w ten sposób aminokwasy, cukry i zasady azotowe ulegały następnie polimeryzacji, dając polisacharydy, białka, kwasy nukleinowe. Następnie z cząsteczek kwasu rybonukleinowego i polipeptydów tworzyły się układy samo powielające, które wraz z poliacharydami i lipidami dały początek strukturom zwanym protobiontami, wykazującymi proste formy metabolizmu. Przypuszcza się, że procesy te zachodziły albo w praoceanie (koncepcja „bulionu pierwotnego”), albo na powierzchni minerałów ilastych (koncepcja „ciepłej pizzy”). W toku dalszych przemian ukształtowały się prakomórki, w których funkcje materiału genetycznego stopniowo od RNA przejmował DNA, a RNA zaczął go wspomagać w syntezie białka zachodzącej w oparciu o kod genetyczny („świat RNA” został zastąpiony przez „świat DNA”).
Pierwsze organizmy jednokomórkowe (sprzed 3,5 mld lat) były heterotrofami wykorzystującymi zawarte w praoceanie substancje organiczne lub przeprowadzały chemosyntezę. Zdolność do fotoautotrofizmu uzyskały później, najpierw dzięki wykorzystaniu bakteriochlorofilu, a następnie – około 2,8 mld lat temu – chlorofilu. W efekcie fotosyntezy przeprowadzanej przez sinice stopniowo zmieniał się skład atmosfery ziemskiej wzbogacanej w tlen. Spowodowało to wymarcie pierwotnych komórek beztlenowych, ale przyczyniło się do powstania pierwszych komórek eukariotycznych. W komórkach tych na skutek fałdowania się błony komórkowej nastąpiło oddzielenie od cytoplazmy materiału genetycznego oraz wyodrębnienie obszarów o różnej aktywności enzymatycznej. Ponadto na drodze endosymbiozy z pochłoniętych pierwotnych organizmów prokariotycznych powstały mitochondria i chloroplasty.