Un arbre phylogénétique est une construction montrant les relations de parenté entre espèces ou groupes d'espèces et l'histoire évolutive d'un groupe. On y trouve :

• des espèces ou taxons, alignés en haut ;
• des ancêtres communs, situés aux nœuds hypothétiques, supposés ascendants de toutes les espèces postérieures ;
• des branches qui représentent les chemins évolutifs : des innovations évolutives (nouveaux caractères) qui sont apparues progressivement, à la faveur des processus évolutifs.

On peut utiliser un arbre phylogénétique afin de :

• déterminer les plus proches parents : en effet, plus les espèces partagent des innovations évolutives et ont donc un ancêtre commun récent, plus elles sont apparentées. Ainsi, mésange et crocodile sont plus proches que crocodile et lamproie ;


• identifier un groupe monophylétique : il s'agit de l'ensemble formé par un ancêtre commun et tous ses descendants. Par exemple, sur l'arbre présenté, on peut identifier le groupe des « amniotes », animaux disposant d'un amnios (enveloppe qui se constitue autour de l'embryon), qui regroupe les crocodiles, les mésanges, les chats, les australopithèques et l'ancêtre commun à toutes ces espèces ;


• dresser un portrait-robot d'un ancêtre commun à partir des innovations évolutives apparues avant lui : par exemple, on peut dire que l'ancêtre commun au chat et à l'australopithèque avait des poils, un amnios, des doigts, un squelette osseux, des mâchoires et des vertèbres ;


• commenter l'évolution : dans un arbre, toutes les espèces sont aussi évoluées les unes que les autres, car il s'est écoulé le même temps évolutif entre l'ancêtre commun initial et ces espèces. Ainsi, les lamproies ne sont pas moins évoluées que les chats ;


• vérifier le principe de parcimonie : il est possible qu'une innovation apparaisse, puis disparaisse (régression), mais c'est contraire au principe de parcimonie et on essaie donc d'éviter cette hypothèse, même si cela s'est déjà produit au cours de l'histoire évolutive.

Il est possible de construire un arbre à partir de l'étude de séquences d'ADN ou protéiques. On obtiendra alors des pourcentages d'identité ou de différence, qui peuvent permettre de savoir quels sont les groupes les plus apparentés. Ces arbres sont particulièrement utilisés aujourd'hui.