生物細胞關於對細胞起源和進化的研究是一項重要的理論問題，也是一個難度很大的研究課題。畢竟在整個細胞幾十億年的演化史中，我們很大程度上都是靠推理得到的結論。
現代地球上絕大部分的生命都是以單個細胞或多個細胞的形式存在的。生命起源後細胞基本結構的形成和細胞結構在進化過程中的發展都是一些重大的生物進化事件。那麼最原始的細胞細胞是如何產生的呢？現代學說認為，導致細胞生命形成的關鍵因素是地球的形成及地球大氣層條件的變化。一般將細胞生命的起源分為五個階段：（1）地球和原始大氣層的形成；（2）有機分子的自發形成；（3）分子聚合體的形成；（4）生命初級聚合體的形成；（5）原始細胞的形成。
其中，地球上生命的演化或進化歷史是包含了從原始的前細胞進化出原核細胞進而到真核細胞的複雜過程。
原核細胞起源
原核細胞從化石記錄可以確定原核生物在距今30～35億年前就已經出現，早於真核生物。在此以前，應該存在漫長的化學進化過程：在地球原始大氣中的N2，NH3，CH4，CO在高溫、強紫外線或放電條件下形成含碳化合物和生物大分子的前體物質（如胺基酸、核酸鹼基等）；然後通過聚合形成複雜的生物大分子並且在原始的海水中出現大分子的複合物，稱為團聚體或類蛋白小體；而只有隨著遺傳密碼(核酸)的出現，才有可能出現自身繁殖的細胞。
一種觀點認為，最初的細胞可能是異養生物，然後才出現營光合作用的自養生物；只有在自養生物大量出現，地球上積累了足夠的氧氣後，真核細胞才可能出現。
細胞起源的光合偶聯假設學說認為，在一定意義上來說，生命的起源開始於有機物質的個性化體系的建立，或者說，沒有個性便不會有真正生命的誕生。假設，如果有機分子只是飄忽無定地在「湯」中蕩漾，怎會出現現在的生命？哪種生命不以個體形式而存在呢？因此，能導致獨立生命系統形成的簡單的質膜結構的出現（不論通過何種機制或過程）必定是細胞進化的最關鍵的一步。
真核細胞起源
真核細胞細胞核起源依然是未解之謎，迄今為止提出的主要學說有：共營模型、自演化模型、病毒性真核生物起源模型、外膜假說、壓縮和結構化假說等。目前設想的關於「核」起源的流行情景是所謂的內共生途徑。
一直以來，真核生物的起源都是進化生物學界孜孜以求的一個難題。近年來，隨著研究的深入，這份起源的圖景逐漸清晰明朗起來。在先前的研究中，進化生物學家通過對轉錄機器和遺傳信息處理機器核心的比較進行研究，逐漸認識到，相比於細菌，古菌具有與真核生物更近的親緣關係。然而，在更一步的展開中，學界出現了分歧：真核生物到底是在系統發生樹的「根」上與古菌分開的？還是由古菌中的一支進化而來的？除此之外，在原核-真核的轉變中，哪些特徵是祖上便有的祖徵，哪些特徵是分家後發展出來的衍徵，真核生物的複雜度是如何獲得如此高的躍升的（包括內膜系統、核孔、剪接體、泛素降解系統、RNAi系統、細胞骨架和吞噬作用）——這些問題都是亟待需要解答的。
關於真核細胞的起源與進化研究近些年來確實取得了較多的成果，尤其是分子生物學方法的引入，為細胞的進化和細胞器演化的研究增添了很多新的內容。