近代细胞学研究，特别是20世纪60年代以来细胞超微结构研究的开展，发现原核细胞与真核细胞之间内部结构差别悬殊，从而证明生物界内部在结构上的最大的不连续不是在动物和植物之间，而是存在于细菌、蓝菌等原核生物与单细胞、多细胞的真核生物两大类生物之间。
生物生命史研究证明，原核生物在地球上出现很早，而且在整个生命史的前3/4的时间里，它们是地球生物圈的唯一的或主要的成员。从化石记录来看，虽然有争议的单细胞真核生物化石出现于19～20亿年前，但较可靠的、大量的真核生物化石出现于元古宙晚期，即大约8～10亿年前。
原核细胞与真核细胞之间差别悬殊，从原核细胞向真核细胞的进化是最重要的细胞进化事件。由于缺少连续的中间过渡类型，因此学者们在进化过渡方式上一直存在争议，出现了主张渐进式的进化与主张通过细胞内共生而实现过渡的两种截然对立的观点。
主张真核生物起源于细胞内共生的观点可以追溯到200多年前。1883年A．F．W．Schimper发现植物叶绿体可以自主繁殖、分裂，从而认为植物的质体来源于“寄生”的蓝绿藻（即蓝菌）。20世纪80年代初美国波士顿大学的生物学家L．Margulis出版了她的专着《细胞进化中的共生》，重新提出并详细论证了“真核细胞起源于细胞内共生的假说”。她认为真核细胞是一个复合体，原核细胞才是最小的细胞单位；真核细胞起源于若干原核生物与真核生物祖先的胞质（cytosol，即相当于除了细胞器以外的真核细胞成分）共生。
具体地说，真核细胞的线粒体和质体来源于共生的真细菌（线粒体可能来源于紫细菌，质体来源于蓝菌），运动器（包括鞭毛和胞内微管系统）来自共生的螺旋体类的真细菌。这一假说除了有许多自然界的细胞内共生的事实和真核细胞器相对的独立性，以及细胞器DNA中有与原核生物DNA相同的序列等有利的论据之外，还得到了近来比较分子生物学方面的研究结果的支持。
例如，对不同生物核糖体核酸的亚单位16SrRNA的一级结构的比较研究证明，真核细胞的确是一个复合体，它的胞质部分和细胞器部分是不同来源的。真核细胞的胞质部分是和原核生物中的真细菌及古细菌同样古老，而细胞器则接近于真细菌。
但是，内共生假说也存在着一些难点和论据不足之处。例如，内共生说对细胞核起源难以解释。又如，真核细胞的细胞器DNA与原核细胞DNA有部分相同的顺序，这被作为内共生说的论据；但是真核细胞质体中的DNA也包含真核生物特有的核基因和内含子序列，而且真核细胞核DNA中也包含有与原核细胞DNA相同的部分，可见内共生说这方面的论据是不足的。反对内共生说的学者认为这个假说太粗糙，只注重形态学方面而忽略细胞生理和生化特征。
20世纪70年代有一些学者用吞噬作用、内胞形成和细胞内间隔作用的渐进发展来解释细胞核与细胞器的起源。最近又有人提出膜进化理论，即用膜分化导致代谢分隔来解释细胞器和细胞核的起源。
主张从原核细胞到真核细胞是渐进的、直接的进化过程的学者们提出了下面一些论据：
（1）原核细胞与真核细胞之间存在着一些中间过渡类型，例如原绿藻（没有细胞核，但色素组成等特征与绿藻相似）、蓝菌（原核细胞，但其光合作用与真核的植物相似）、红藻（真核细胞在色素组成上接近蓝菌）；
（2）从代谢的生理、生化特征的比较看，真核细胞的需氧呼吸代谢更可能是通过原核生物发酵途径的重复、改造而建立的；
（3）某些行光合作用的原核生物具有复杂的胞内膜结构。
关于从原核细胞到真核细胞的进化过渡途径，虽然至今仍有争论，但愈来愈多的分子系统学的证据倾向于支持细胞器的共生起源假说。例如，不同生物的核糖体核酸小的亚单位的序列（一级结构）比较分析表明，质体可能来源于近似蓝菌的原始祖先，是通过多次的共生事件而进化产生的。
主张质体起源于多次共生事件的论据是：
（1）现生的真核生物的质体及其色素组成有显着不同的三种类型，即含有叶绿素a和b的绿藻和陆地植物，含有叶绿素a和c的杂色藻和含有叶绿素a与藻胆素蛋白的红藻。这三种类型可能代表三条进化线系，是各自独立起源的。
（2）质体是由两层或多层膜包被的，原核细胞之间的一次共生事件不可能产生两层或多层膜结构。
如果质体起源于细胞内共生，那么至少要通过两次以上的进化事件，即第一次共生事件发生在含有上述不同类型色素组成的各原核生物祖先与具有吞噬特性的原核生物宿主之间，第二次和以后的共生事件则发生在第一次共生所产生的原始真核生物之间。
原先以为含有叶绿素a、b的绿藻和绿色植物质体的祖先可能近似现生的原绿藻，但16SrRNA的比较分析表明原绿藻与绿色质体亲缘关系很远，两者无关。
虽然关于最早的真核生物的化石研究虽有许多报道，但鉴定和确认是困难的。这是因为单细胞真核生物形态简单，化石保存中形态改变，古生物学家难以单从简单形态特征判断化石的分类地位。目前已知最早的真核单细胞生物的化石是发现于加拿大安大略省西南部的冈弗林特铁建造的燧石层中的有芽球或萌发管状的球状微生物，其同位素年龄值大约为19亿年。
我国的长城群串岭沟组页岩中曾发现类似开裂的孢子囊的结构，同位素年龄值大约为16～17亿年。如果这类化石确为真核生物，那么可以说在元古宙早期，大气圈自由氧开始积累不久，单细胞的真核生物可能已经存在于地球生态系统之中了。
古生物的和地质的大量证据表明，在元古宙晚期，即新元古代10亿年前～5．4亿年前这段时间里，发生了一系列重要的生物进化事件和全球性的环境变化。
浅海底栖多细胞后生藻类植物和后生无脊椎动物为主体的生态系统的建立和发展、以单细胞真核藻类植物和原生动物为主体的浮游生态系统的发展阶段。由于大气圈CO2含量的急剧下降所造成的全球性气温下降(出现冰川)、海平面及海水化学变化等因素造成蓝菌叠层石生态系统的衰落和解体，原生动物、植物出现，发生了生命历史上的第一次较大规模的绝灭和较大的适应辐射。海洋生态系统进一步复杂化，表现在物种分异度增大，生态系统内物质能量转换的层次增多。
叠层石的丰度和形态多样性的显着下降标志着蓝菌的衰落，生物的多细胞化和微观的单细胞生命的优势地位被宏观体积的多细胞生物所替代，有分化组织的叶状体植物的大量出现（6．5亿年前）和接踵而来的多门类的有体腔的原生动物的适应辐射（5．7亿年前），以及浮游植物多样性的大增长，蓝菌及藻类植物的钙化以及碳酸钙的、磷酸钙的、硅质的、有机质（几丁质）的各种矿化骨骼出现于不同门类的动物和原生生物之中（5．2～5．3亿年前），最后是寒武纪的动物多样性大增长（“寒武爆发”）。
与这一系列的生物进化事件相伴随的是全球范围的环境变化，这种变化起因于一些大的地质事件和生物与环境之间的相互作用的新的方式和新的规模。
多细胞化
多细胞化是继真核细胞起源之后的又一重大的生命进化事件。
在地球35亿年生命史的前4/5时间里，单细胞生物是生物圈唯一的或主要的生命形式。由单细胞微观生命向多细胞宏观体积的生命形式的进化过渡是继真核细胞起源之后的又一个重大进化事件，其生物学意义在于：
（1）生物个体体积的显着增大，大的体积是组织分化和器官形成的必要条件；
（2）生物结构与功能的复杂化：生物个体在细胞组织分化的基础上形成功能专化的器官系统，提高了生物适应能力并扩大了对环境适应的范围；
（3）多细胞生物个体发育过程涉及的遗传调控机制复杂化：单细胞生物只涉及细胞内调控，多细胞涉及细胞间的调控；
（4）生物个体内环境的相对稳定；
（5）个体寿命延长。
简言之，多细胞化是生物组织化水平的又一次大提高，这一进化事件奠定了地球上一切高级生命产生和发展的基础。
