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分子系统发生学（Molecular phylogenetics）是分析遗传分子差异（主要是DNA序列）的系统发生学的一个分支，以获得有机体进化关系的信息。分子系统发生学分析的结果在系统发生树(phylogenetic tree)中表达。分子系统发生学是分子系统分类学的一个方面，更广泛的术语还包括在生物分类学和生物地理学中使用分子数据。
分子系统发生学和分子演化相关。 分子进化是在生命树（进化）的各个分支中在分子水平（基因，蛋白质等）上选择性变化（突变）的过程。 分子系统发育学推断由于分子进化而产生的进化关系，并导致系统发育树的构建。 根据1870年代Haeckel所知的信息，右边显示的图描绘了生命系统树作为最早的详细树木之一。
分子系统发生学的出现，很可能会改变大众对旧有动物分类的认识。举例说：传统上鳞翅目物种皆二分为蛾跟蝴蝶两大分支，但研究认为其实所有蝶类皆应归类到凤蝶总科去，而凤蝶总科又是鳞翅目之中、有喙亚目之中、真鳞翅类之中、真异脉类之中、双孔亚目之中、短突双孔类之中、螟蛾类中的一个演化支[1]。类似的改变还有啮虫总目的合并，以及白蚁被合并进蜚廉目的例子。
