Начало третьего периода (1864—1865) связано с выходом в свет первых работ, популяризировавших, защищавших и развивавших учение Дарвина.
Примерами могут служить статьи К. А. Тимирязева (1864) и М. А. Антоновича (1864), а также работы по примеиению эволюционный идей Дарвина к разработке проблем морфологии, эмбриологии, палеонтологии, например книга Ф. Мюллера «За Дарвина» (Muller, 1864), монография Э. Геккеля «Всеобщая морфология организмов» (Haeckel, 1866), и др. Наряду с этим появились и работы Э. Зюсса (Siiess, 1863), А. Келликера (Kollicker, 1864), К. Негели (Nageli, 1865), Р. Оуэна (Owen, 1868), С. Майварта (Mivart, 1871) и др., в которых дарвинизм впервые подвергался критике с позиций других концепций эволюции.
Для развития эволюционного учения этого периода характерно следующее.
Во-первых, широкое распространение эволюционной идеи в биологии и создание на основе исторического метода новых отраслей биологии. Основные интересы эволюционистов концентрировались на общих вопросах «большой филогении» (происхождение крупных таксонов и выяснение родственных связей между ними, поиски переходных форм, органообразование и т. п.). Доминирующее значение приобрело филогенетическое направление, конечная цель которого — построение родословного древа, а основной метод — «тройной параллелизм». В эти годы было сделано много палеонтологических открытий, явившихся важными доказательствами эволюции и стимулировавших развитие филогенетического направления (в 1861 г. — ископаемая первоптица, в 1866 г. — «филогенетический ряд» ископаемых раковин Planorbis, в 70—80-е годы — знаменитые «паллюдиновый ряд» и «ряды форм» аммонитов, реконструкции эволюционных рядов третичных лошадиных, слонов и динотериев, китов и т. д., наконец, в 1891 г. — открытие яванского питекантропа).
Были сформулированы важные закономерности эволюции. К их числу относятся: закон дивергенции, или адаптивной радиации Ч. Дарвина, В. О. Ковалевского, закон адаптивных и инадаптивных путей эволюции В. О. Ковалевского, принцип сходства ранних стадий эмбриогенеза у беспозвоночных и позвоночных животных А. О. Ковалевского, И. И. Мечникова, «биогенетический закон» Ф. Мюллера—Э. Геккеля, принцип неспециализированности предковых форм Э. Копа, закон необратимости эволюции Л. Долло, принцип мультифункциональности и эволюции органов путем смены функций А. Дорна, принцип субституции органов Н. Клейненберга, закон ранней закладки прогрессивных органов Э. Менерта и некоторые другие обобщения.