巨演化（Macroevolution）涵蓋物種層級以上的演化現象，包括物種形成速率與模式、譜系多樣化動態、形態創新（morphological innovation）、大滅絕的選擇性與復甦，以及演化速率的時空變異。這一領域整合古生物學、系統發育比較法（phylogenetic comparative methods）、演化發育生物學（evo-devo）和比較基因體學。
物種形成的遺傳架構
現代物種形成研究的核心問題已從「地理模式是什麼」轉向「哪些基因座驅動生殖隔離，以什麼順序累積」。Dobzhansky-Muller 不相容性模型（DMIs）描述了兩個隔離族群各自固定的衍生型等位基因在雜交後產生負面上位效應（negative epistasis），導致雜交不育或不活。Presgraves（2010）的綜述指出，已鑑定的種化基因多與基因體衝突（genomic conflict）相關——如 Drosophila 的 Hmr/Lhr 系統涉及異染色質調控，Overdrive 涉及減數分裂驅動。
染色體倒位（inversions）在種化中扮演「超基因」（supergene）角色。Noor 等人（2001）和 Rieseberg（2001）獨立提出，倒位透過抑制重組來維持適應性等位基因和生殖隔離等位基因之間的連鎖不平衡，加速種化前分化。全基因體定序時代的「種化基因體學」（speciation genomics）研究利用 Fst 掃描和基因體分化景觀（genomic landscape of divergence）鑑定「分化島嶼」（islands of divergence），但 Cruickshank & Hahn（2014）警告這些島嶼可能反映連結選擇（linked selection）而非基因流的異質性。
多倍體種化在植物中尤為重要。Wood 等人（2009）估計 15% 的被子植物種化事件和 31% 的蕨類種化事件涉及多倍體化。異源多倍體（allopolyploidy）可在一代之內建立合子後生殖隔離，並透過亞基因體偏向性表現（subgenome dominance）、轉座子活化和表觀遺傳重編程產生快速的基因體重塑。
適應輻射的量化框架
Schluter（2000）定義適應輻射的四大特徵：共同祖先、表型-環境相關性、功能性狀的適應性效用、快速種化。近年以時間校準分子系統發生樹為基礎的多樣化速率分析（如 BAMM, BiSSE/MuSSE, ClaSSE 模型）能辨識譜系多樣化速率的時空變異和與表型演化的關聯。Rabosky（2014）的 BAMM 框架允許種化和滅絕速率在系統發生樹上異質性變化，揭示了許多被認為是「輻射」的類群其實有複雜的速率動態。
Losos（2009）對安樂蜥（Anolis）的長期研究揭示了適應輻射中驚人的趨同演化：加勒比海四座大島上的安樂蜥獨立演化出相同的六種生態形態型（ecomorphs），且基因體分析（Tollis et al., 2018）顯示部分趨同涉及相同基因座的平行選擇。這呼應了更廣泛的問題：演化是否可預測？
寒武紀大爆發的驅動因素仍有爭議。候選解釋包括：大氣氧含量上升突破閾值、掠食者-獵物軍備競賽（Vermeij, 1987）、Hox 基因調控網路的成熟使身體構型創新成為可能、以及生態空間高度空缺（Erwin et al., 2011 的「生態工程」假說）。分子鐘估計動物譜系的分歧時間遠早於化石記錄中的首次出現，暗示寒武紀大爆發可能更多是礦化能力的獲得（使化石保存變好）而非真正的譜系起源爆發。
大滅絕的選擇性與復甦動態
大滅絕不是隨機的物種抹除。Jablonski（1986, 2005）以白堊紀末的軟體動物化石記錄為材料，發現在背景滅絕中有利的性狀（如廣泛的物種分布範圍）在大滅絕時失去保護效應，取而代之的是高階分類群的地理範圍（clade-level geographic range）成為存活的主要預測因子。這意味著大滅絕改變了「選擇的層級」（levels of selection），從物種層級提升到分支層級。
二疊紀末大滅絕（~252 Ma）的「殺手」機制涉及西伯利亞暗色岩（Siberian Traps）的大規模岩漿侵入含碳有機岩和蒸發岩，釋放大量 CO₂（導致全球暖化 ~10°C）、鹵代烴（破壞臭氧層）和 SO₂（酸雨）。海洋的響應包括溫躍層缺氧擴張（Penn et al., 2018, Science 的模型顯示暖化導致代謝需氧量增加而溶氧下降的雙重打擊）、硫化氫中毒和碳酸鈣飽和度下降。復甦歷程長達 500 萬-1,000 萬年，早三疊世生態系統以低多樣性、簡化食物網和災變相（disaster taxa，如水龍獸 Lystrosaurus）為特徵。
間斷平衡與演化速率
Eldredge & Gould（1972）提出的間斷平衡（Punctuated Equilibrium）主張化石記錄中長期形態穩定（stasis）被快速種化事件打斷的模式是真實的演化節奏，而非化石記錄不完整的假象。Hunt（2007）的薈萃分析量化了化石譜系中三種演化模式的相對頻率：穩定（stasis）最常見，隨機漫步（random walk）次之，方向性趨勢（directional trend）最少。穩定的機制可能涉及穩定化選擇（stabilizing selection）、發育限制（developmental constraints）、棲位追蹤（niche tracking），或這些因素的組合。
Evo-devo 視角下的形態創新
巨演化中的體制創新與基因調控網路的改變密切相關。Sean Carroll（2005）的 evo-devo 框架強調 cis-調控元件（CREs）的突變是形態多樣化的主要分子基礎——CREs 的模組性允許在特定時空改變基因表現，而不影響蛋白質本身的功能。經典案例：三刺魚（stickleback）骨盆退化反覆涉及 Pitx1 增強子的缺失（Chan et al., 2010, Science）；果蠅翅膀色素模式的種間差異源於 yellow 基因 CRE 的改變。
Hox 基因簇的重複與分化與脊椎動物身體複雜度的增加平行——無脊椎動物有 1 個 Hox 簇，脊椎動物有 4 個（因兩輪全基因體重複，2R-WGD），硬骨魚有 7-8 個（額外的 3R-WGD）。深同源性（deep homology）的概念——如 Pax6 在所有雙側對稱動物的眼睛發育中保守——揭示了基因工具包（genetic toolkit）的驚人保守性，形態的多樣化主要來自相同工具的不同「用法」而非新工具的發明。