Обор прямых доказательств эволюции в тот период более всего был доступен палеонтологам, непосредственно изучающим следы эволюционного прошлого. Выдающиеся достижения в этой области принадлежали В. О. Ковалевскому — основоположнику эволюционной палеонтологии.
Ковалевский реконструировал ход эволюции целого семейства лошадиных. Он разработал принципы и методы палеонтологических исследований и с позиции дарвинизма сформулировал несколько принципиальных положений в исследовании филогенетических закономерностей эволюции, о чем будет оказано ниже. Среди тех, кто вслед за В. О. Ковалевским разрабатывал эволюционную палеонтологию, по праву стоят имена С. Н. Никитина и Н. И. Андрусова. Никитин (1881) обнаружил полный ряд переходных форм от вида Ammonites alternoides, приведший к формированию вида A. alternans. Андрусов (1897) установил последовательный ряд форм в эволюции двустворчатых моллюсков сем. Dreissensiidae. Смену близкородственных форм он объяснял борьбой за существование. С точки зрения палеоэкологии Андрусов правильно подметил, что взаимодействие разных форм борьбы за существование (конкуренции и борьбы с абиотическими условиями) определяет направление и ход филогенеза. Л. Ш. Давиташвили справедливо писал, что «эволюционное учение Дарвина стало-проникать в русскую палеонтологическую науку довольно скоро после появления "Происхождения видов", а в течение 70—80-х годов оно приобретает здесь господствующее положение» (1948, с. 166).
Наиболее отчетливо филогенетическое направление проявилось в развитии эволюционной систематики, составившей основу для построения родословных схем крупных таксонов. Для подтверждения дарвиновского положения о монофилетическом и дивергентном развитии органического мира существенно было показать филогенетическое родство между беспозвоночными и позвоночными. Эту задачу блестяще разрешил А. О. Ковалевский при исследовании эмбриогенеза ланцетника. Длительное время это животное относили к позвоночным. Французский зоолог А. Катрфаж считал его деградированным позвоночным. В эмбриогенезе ланцетника Ковалевский установил ряд закономерностей, характерных как для беспозвоночных (тип дробления яйца, развитие сегментарного строения тела, выделительных органов), так и позвоночных (формирование нервной трубки, хорды, кровеносной системы, жабр).