地球上最早的原核生物被认为在大约40亿年前首次出现在地球上，也就是地球形成的几亿年后。关于生命是如何起源的，第一个细胞是如何形成的，在科学上都只是猜测，因为这些事件不能在实验室中重复，尽管如此，有几个实验为这一过程的某些步骤提供了重要证据。
20世纪20年代首次提出，简单的有机分子可以在原始地球大气层的条件下形成并自发聚合成大分子。在生命诞生的时候，地球的大气层被认为含有很少或根本没有氧，主要是由CO2和N2，以及少量的H2，H2S和CO，这样一个环境提供了原始有机分子形成的条件，给定一个能量的来源如阳光或闪电，有机分子就可能自发形成。自发形成的有机分子实验第一次证明了在1950年代，米勒实验表明放电到H2、CH4、NH3和水环境中，会形成了各种各样的有机分子包括一些氨基酸。尽管没有精确地再现原始地球的条件，但米勒实验证明了有机分子是可以自发合成的，为第一个生物体的产生提供了基础材料。
生物进化的下一步是大分子的形成。大分子的单体结构块已被证明可以在生物起源前条件下自发聚合，例如加热干燥的氨基酸混合物可以使其聚合形成多肽。但是生命大分子的进化的关键特征一定是自我复制的能力，只有能够指导合成自身新拷贝的大分子才有能力繁殖和进一步进化。在当今细胞中的两大类信息大分子核酸和蛋白质中，只有核酸能够自我复制，由于核苷酸之间的特定碱基配对是互补的，核酸可以作为自我合成的模板。因此，理解分子进化的一个关键步骤是在20世纪80年代初，当时在Altman和Cech的实验室里发现RNA也能够催化许多化学反应包括核苷酸聚合，因此RNA既可以作为模板，也可以催化自身的复制，这是独一无二的，两人因此获得诺贝尔化学奖。因此，一般认为RNA是最初的生物遗传系统，而化学进化的早期阶段被认为是基于自我复制的RNA分子组成，这一进化时期被称为RNA世界。
地球上第一个细胞被认为是由磷脂组成的膜包围自我复制RNA而产生的。磷脂是所有现代生物膜的基本成分，包括原核细胞和真核细胞的细胞膜。形成细胞膜的磷脂的关键特征是它们是两亲性分子，磷脂具有长而不溶于水（疏水）的碳氢化合物链，又含有磷酸盐的水溶性（亲水性）基团。当磷脂被放置在水中时，磷脂会自发地聚集成双层，其含有磷酸盐的头部基团在外层与水接触，而其碳氢化合物的尾部则在内部相互接触，这样的磷脂双分子层可以在两个水室之间形成稳定的屏障，将细胞的内部与其外部环境分离。
磷脂双分子层组成的细胞膜可以作为一种保护屏障，保护细胞内部脆弱的生命，并为之提供一个不受外力影响的稳定微环境，使细胞能够进一步自我复制和进一步进化；此外，细胞膜的进化提供了一个更紧凑的环境，使新创造的有机分子能够被保存在局部不会用于其他用途
