Se puede distinguir entre dos clases generales de cambio evolutivo: microevolución (cambio por debajo del nivel de la especie) y macroevolución (cambio por encima del nivel de la especie).
Los ecologistas de poblaciones, los biólogos de la conservación y los ecologistas del comportamiento se ocupan más directamente de los procesos microevolutivos. Estos incluyen los cambios en los valores y las frecuencias de rasgos particulares entre los miembros de las poblaciones, a menudo debido a procesos ecológicos como el movimiento de los organismos y las condiciones ambientales cambiantes, así como las interacciones con los miembros de diferentes especies (por ejemplo, las interacciones depredador-presa, las interacciones huésped-parásito, la competencia) o la misma especie (por ejemplo, la selección sexual, la competencia). Estos procesos pueden, aunque no necesariamente, conducir a la formación de nuevas especies a lo largo del tiempo, sino que dan lugar a frecuencias fluctuantes de rasgos dentro de las poblaciones que siguen presiones selectivas siempre cambiantes (Thompson 1998). Dado que algunos procesos microevolutivos pueden producirse en unas pocas generaciones, a menudo pueden observarse en la naturaleza o en el laboratorio.
Una ilustración adecuada de la microevolución en acción es la tendencia bien documentada de los insectos a desarrollar rápidamente resistencia a los pesticidas (Gassmann et al. 2009). Por ejemplo, durante el verano en el sur de Francia, se aplican pesticidas para controlar los mosquitos Culex desde la costa mediterránea hasta unos 20 km hacia el interior. Ciertos genes de los mosquitos confieren resistencia a los pesticidas, pero son costosos en ausencia de pesticidas (Figura 2); las frecuencias del gen de resistencia a los pesticidas aumentan durante los veranos en las zonas donde la fumigación es habitual, pero no aumentan en las zonas donde no se practica la fumigación. (Lenormand et al. 1999).
Por lo general, los cambios macroevolutivos no pueden observarse directamente debido a las grandes escalas de tiempo que generalmente están implicadas, aunque se han observado muchos casos de cambio macroevolutivo en el laboratorio (Rice & Hostert 1993). En su lugar, los estudios de macroevolución tienden a basarse en inferencias a partir de pruebas fósiles, reconstrucción filogenética y extrapolación de patrones microevolutivos. A menudo, los estudios macroevolutivos se centran en la especiación: el proceso por el cual grupos de organismos que anteriormente se cruzaban se vuelven incapaces (o no están dispuestos) a aparearse con éxito entre sí y a producir descendencia fértil.
Los ecólogos pueden estar interesados en la macroevolución como medio para hacer inferencias sobre cuestiones ecológicas actuales. Los científicos interesados en modelar los efectos del cambio climático actual, por ejemplo, pueden acoplar los datos climatológicos prehistóricos con los patrones de especiación y extinción derivados de los fósiles para entender cómo les va a las especies animales y vegetales contemporáneas y cómo les irá en el futuro. Por ejemplo, muchos invertebrados marinos (como los corales, los caracoles o las almejas) construyen sus caparazones con carbonato cálcico extraído del agua del océano. A medida que el CO2 antropogénico se acumula en la atmósfera, una fracción significativa de éste se disuelve en el océano, liberando iones de hidrógeno libres en el proceso y disminuyendo así el pH oceánico. Entre otras cosas, esta acidificación del océano reduce la cantidad de carbonato disponible para los invertebrados marinos que fabrican conchas y que dependen de él para sus caparazones de carbonato cálcico, lo que les dificulta la fabricación y el mantenimiento de sus caparazones.
Al combinar los datos del pH oceánico de hace cientos de millones de años con los registros fósiles de los foramíferos (invertebrados marinos con caparazón), Zachos et al. (2005) muestran los efectos que la acidificación del océano ha tenido en la diversificación y extinción de la fauna de invertebrados marinos del pasado. A partir de estos datos, se pueden modelar los patrones actuales de acidificación del océano y empezar a predecir sus efectos sobre los animales marinos actuales y futuros (por ejemplo, Orr et al. 2005).