התחום המדעי המתרכז במאובני משפחת האדם נקרא פלאואנתרופולוגיה. בימיו של דרווין כבר התגלו באירופה כמה שלדים מאובנים של אדם ניאנדרטלי, אבל לא היה ברור אם הם מין נפרד מן האדם. דוגמה מובהקת ראשונה של בני אדם קדומים בעל מוח הקטן משמעותית ממוח אדם מודרני הייתה מאובן הומו ארקטוס שהתגלה בשנת 1891 באי ג'אווה שבדרום-מזרח אסיה. התפתחויות חשובות בתחום זה במאה ה-20 היו גילוי מאובני האוסטרלופיתקנים ומינים קדומים של סוג האדם במזרח אפריקה ודרומה, על ידי פלאואנתרופולוגים כריימונד דארט, רוברט ברום, משפחת ליקי, דונלד ג'והנסון וטים וייט. תגליות אלו ביססו את מוצאה האפריקני של משפחת האדם, ואת העלייה ההדרגתית שחלה בגודל המוח במשך שלושת מיליוני השנים האחרונות. עד היום נתגלו כמה אלפי מאובנים ממשפחת האדם, המסווגים כיום ל-9 עד 24 מינים נכחדים של הומינינים מדרגות שונות של שלבי ביניים בין קופי האדם לאדם.
מאז שנות ה-60 של המאה ה-20 מתחוללת מהפכה בתחום גילוי המאובנים הודות לשיטות תִארוך רדיומטריות ופלאומגנטיות, מהן עולה שהאבולוציה של האדם התרחשה במשך שבעת מיליוני השנים האחרונות לכל הפחות, במהלך התקופות הגאולוגיות של המיוקן, הפליוקן, הפלייסטוקן וההולוקן. עדויות ארכאולוגיות למוצא האדם, בעיקר של כלי-אבן מסותתים, נפוצות הרבה יותר מאשר עדויות מאובנים, וכיום מוכרות היטב מספר תרבויות ייצור כלים מן התקופה שבמינוח הארכאולוגי נקראת התקופה הפלאוליתית. במקביל התפתחו במאה ה-20 תחומי המחקר הפרימטולוגי של קופים והמחקר האנתרופולוגי של תרבויות ציידים-לקטים בימינו, תחומים התורמים להבנה טובה יותר של ממצאי המאובנים.
מהפכה נוספת בחקר האבולוציה של האדם מתרחשת הודות לפענוח הקוד הגנטי ומבנה מולקולת הדנ"א האחראית לתורשה של יצורים חיים. החל משנות ה-70 של המאה ה-20 התאפשר מיפוי הרצף של גנים רבים, עד כדי מיפוי גנום האדם כולו, וכן גנום השימפנזה, בתחילת המאה ה-21. בתחום הגנטיקה האבולוציונית האנושית, שיטות שעון מולקולרי תארכו את האב הקדמון המשותף שלהם לתקופה של 8 עד 4 מיליון שנים לפני זמננו, והראו שמוצא האנושות בת-ימינו הוא מאוכלוסיית בסיס קטנה שהיגרה מאפריקה במהלך כ-200 אלף השנים האחרונות. גנטיקאים אבולוציוניים כמו סוונטה פבו פיתחו שיטות פלאוגנטיות למיצוי דנ"א מעצמות מאובנות, אשר אפשרו גם את מיפוי הגנום הניאנדרטלי, על פיו מחשבים כי האב הקדמון המשותף שלו ושל האדם המודרני התקיים לפני כ-500 אלף שנה. בשנים האחרונות מתחקה המחקר אחר השינויים הגנטיים האחראים לאנושיותו של האדם.
עדויות ביולוגיות למוצא האדם.
מקומו של האדם בטבע.
מנקודת מבט ביוכימית, אנטומית, פיזיולוגית וגנטית האדם הוא מין של יצור חי, שאינו נבדל באופן עקרוני מכל שאר המינים החיים על פני כדור הארץ. האדם חולק עמם אותן מולקולות בסיסיות של החיים כמו דנ"א, רנ"א, חומצות אמינו, פחמימות ושומנים, אותו קוד גנטי, ואף הגנים שלו דומים מאוד (ולעיתים אף זהים) לגנים של היצורים החיים הקרובים לו. כפי שמצא לינאוס, ניתן לסווג את האדם על פי אותם קריטריונים ששימשו לסיווג שאר עולם החי. מבחינת סיווגו הטקסונומי האדם הוא:
על פי הדמיון ברצף הדנ"א בגנום ניתן כיום לשרטט בדיוק רב את שושלת המינים החיים ובתוכם האדם.
מצד שני, האדם הוא האורגניזם בעל המוח הגדול ביותר (בהתחשב במשקל גופו) בעולם החי. מגמת גידול המוח ניכרת כבר באבולוציה של החולייתנים, היונקים, הפרימטים וקופי האדם, ואולם מוח האדם גדול פי שלושה לערך מזה של קופי האדם החיים כיום. במדע המודרני מקובל שהבדל זה בגודל המוח הוא העומד ביסוד ייחודו הקוגניטיבי, הנפשי והתרבותי של האדם. תכונות אנטומיות נוספות ייחודיות של האדם הן גפיים קדמיות (ידיים) בעלות אצבעות גמישות ורגישות ואגודל נגדי, המאפשרים טיפול עדין בעצמים וכלים, יציבה זקופה המשחררת את הידיים ממשימת ההתקדמות, וגרון עמוק המאפשר יכולת משוכללת של דיבור. כמו כן, האדם הוא היונק בעל תקופת הינקות וההתבגרות הממושכת ביותר, יחסית לתוחלת החיים הכללית שלו.
מוצא הפרימטים, הקופים וקופי האדם.
סדרת הפרימטים מופיעה ברשומות המאובנים לפחות מאז תקופת האאוקן, לפני כ-50 מיליון שנה, ועל פי תארוכים גנומיים ייתכן שחבריה הראשונים אף קדמו להכחדת הדינוזאורים בסוף תור הקרטיקון. מכל מקום הפרימטים של האאוקן כבר טיפוסיים מאוד לצורה המודרנית של בני הסדרה, עד כי אין כל קושי בזיהויים. הפרימטים הם יונקים שוכני עצים ביערות טרופיים וסובטרופיים, בעלי גפיים ארוכות וגמישות עם חמש אצבעות ארוכות בכל גף, שבקצותיהן כריות אצבע רגישות וציפורניים שטוחות במקום טפרים. הגפיים והאצבעות הם בבירור הסתגלות ללפיתת ענפים, אך בדיעבד הסתברו כיעילים מאוד לטיפול עדין בכלים. בדומה לכך, לפרימטים עיניים גדולות שפונות קדימה, ולא לצדדים כמו במרבית היונקים, ומאפשרות להם ראייה סטראוסקופית ואומדן מרחקים מדויק. העיניים האלה הן בבירור הסתגלות לתנועה בזינוקים בין ענפים, אך בדיעבד הסתברו כיעילות לצורך בחינה מדוקדקת של עצמים וטיפול בכלים. תופעה כזו של הסתגלות, שבדיעבד מסתברת כמתאימה למטרה אחרת, היא תופעה נפוצה בהתפתחות אבולוציונית ומכונה פרה-אדפטציה. מבין התכונות האחרות האופייניות לפרימטים ניתן למנות ראיית צבע מעולה, חוש ריח חלש יחסית המתבטא באונות ריח קטנות וזרבובית קטנה יחסית לשאר היונקים, ומספר קטן של צאצאים בהמלטה, לרוב לא יותר מאחד או שניים שאותם האם נושאת איתה. בהתאם לכך לפרימטים יש זוג פטמות יחיד הממוקם על החזה.
סדרת הפרימטים כוללת מספר תת-סדרות קיימות ונכחדות, שהגדולה והמפותחת מתוכן היא תת-סדרת הקופים (Infraorder: "Simiiformes"). הקופים הם פרימטים פעילי-יום, בעלי מוח גדול יחסית לגופם, אינטליגנציה גבוהה, התנהגות חברתית מפותחת, תקופת התבגרות ארוכה של הצעירים, ויכולת ללמוד באמצעות חיקוי ההתנהגות של פרטים אחרים. במשך הפלאוקן והאאוקן יבשות גונדוונה ולאוראסיה התפצלו אט-אט ליבשות המודרניות, וכתוצאה מכך התפתחה הפרדה בין הקופים "רחבי האף" ("Platyrrhini"), שהפכו למבודדים בדרום אמריקה, לבין הקופים "צרי האף" ("Catarrhini") בעולם הישן. האחרונים הם הקבוצה הגדולה והמגוונת יותר, אך את כולם, לרבות האדם, מאפיינת נוסחת שיניים של שתי חותכות, ניב אחד, שתי קדם-טוחנות (מלתעות) ושלוש טוחנות בכל רבע לסת, ובסך הכל 32 שיניים בעלות תצורה בלתי-מתמחה, כלומר הן אינן מותאמות באופן מיוחד לטריפה מצד אחד או לגריסת מזון צמחי קשה מצד אחר, אלא לתפריט מגוון של אוכלי-כל.
בתקופת האוליגוקן הקופים צרי-האף התפצלו לשתי על-משפחות: קופי העולם הישן בעלי הזנב (Superfamily: "Cercopithecoidea") וקופי האדם (Superfamily: "Hominoidea"). קופי האדם הם באופן כללי בעלי גוף גדול יותר, והזנב שלהם, שבשאר קבוצות הפרימטים הוא לרוב מפותח, התנוון. הם היו בתחילה הקבוצה המצליחה יותר, ומתקופת המיוקן ידועים עשרות מינים מאובנים שלהם על פני אסיה, אירופה ואפריקה. אבל במהלך הפליוקן והפלייסטוקן התהפך הגלגל, וכל קופי האדם פרט לסוג האדם שרדו רק ביערות גשם טרופיים באפריקה ובמזרח אסיה, אולי כתוצאה מתחרות עם הקופים בעלי הזנב, שכיום מיוצגים על ידי סוגים מצליחים ומרובי מינים כמו המקוק, הגנון והבבון. כיום קופי האדם מחולקים לשתי משפחות: הגיבוניים (Family: "Hylobatidae") וקופי האדם הגדולים, או ההומינידיים (Family: "Hominidae"), אשר ממנה שרדו כיום האדם, שני מיני שימפנזה, שני מיני גורילה ושני מיני אורנגאוטן.
קופי האדם הגדולים, ובעיקר מיני השימפנזה, הם בין בעלי-החיים הנבונים ביותר. שימפנזים לומדים לזהות את עצמם במראה, יכולת שחוקרים מסוימים מחשיבים כראיה למודעות עצמית, והודגם כי במידה מסוימת יש להם תאוריה של הנפש, כלומר הם מייחסים כוונות ומצבים נפשיים לקופים אחרים. הם מסוגלים לפתור בעיות המצריכות דמיון והסקה, מהן כאלו שאף בני אדם מתקשים בהן. במקום חיותם בטבע שימפנזים משתמשים לעיתים במגוון כלים שונים, כגון מקלות לשליית טרמיטים ואבנים לפיצוח אגוזים. הם בוחרים כלים כאלו בשימת לב, ואף מתאימים אותם לשימוש הרצוי באופנים פשוטים, למשל שבירת ענף ליצירת מקל חד לצורך ציד חיות קטנות בתוך נקרות עץ. מכיוון שהם לומדים כישורים כאלו על ידי חיקוי שימפנזים אחרים, נוצרות אצלם בטבע "תרבויות" האופייניות לכל קהילה ושונות במנהגיהן מאלו של קהילות אחרות. סביר להניח שכישורים דומים התקיימו באב הקדמון המשותף של האדם והשימפנזה. בשבייה שימפנזים מסוגלים ללמוד להשתמש בכלים רבים של בני-אדם, ואף לסתת כלי-אבן פשוטים. הם אינם מסוגלים לדבר משום שהאנטומיה של הגרון שלהם אינה מתאימה לכך, אך הם יכולים ללמוד להבין עשרות ומאות מילים בשפה אנושית, לתקשר באופן בסיסי בשפות סימבוליות שאינן דורשות דיבור, כמו שפת סימנים של לקויי שמיעה, ואף להמציא צירופי מילים משל עצמם, ברמה שתוארה כדומה לזו של ילדים אנושיים בני שנתיים וחצי. ישנו ויכוח בין חוקרים בתחום הבלשנות עד כמה יכולות אלו משתוות לשפה אמיתית. שימפנזים גם למדו כישורים מתמטיים בסיסיים כמו מנייה וחיבור, כולל מושג האפס, ושימוש בקטגוריות מופשטות (למשל "זהה" ו"שונה").
ההומינידים: משפחת האדם.