分子系統發生學（Molecular phylogenetics）是分析遺傳分子差異（主要是DNA序列）的系統發生學的一個分支，以獲得有機體進化關係的信息。分子系統發生學分析的結果在系統發生樹(phylogenetic tree)中表達。分子系統發生學是分子系統分類學的一個方面，更廣泛的術語還包括在生物分類學和生物地理學中使用分子數據。
分子系統發生學和分子演化相關。 分子進化是在生命樹（進化）的各個分支中在分子水平（基因，蛋白質等）上選擇性變化（突變）的過程。 分子系統發育學推斷由於分子進化而產生的進化關係，並導致系統發育樹的構建。 根據1870年代Haeckel所知的信息，右邊顯示的圖描繪了生命系統樹作為最早的詳細樹木之一。
分子系統發生學的出現，很可能會改變大眾對舊有動物分類的認識。舉例說：傳統上鱗翅目物種皆二分為蛾跟蝴蝶兩大分支，但研究認為其實所有蝶類皆應歸類到鳳蝶總科去，而鳳蝶總科又是鱗翅目之中、有喙亞目之中、真鱗翅類之中、真異脈類之中、雙孔亞目之中、短突雙孔類之中、螟蛾類中的一個演化支[1]。類似的改變還有嚙蟲總目的合併，以及白蟻被合併進蜚廉目的例子。
