原始地球上從原始的前細胞形態向生命形態演變的過程。細胞一詞本來專指真核細胞，但從20世紀50年代起人們把原核生物也視為細胞，即原核細胞，因此細胞起源即有瞭兩個含義；再從生命起源的角度考慮，還有初始細胞發生的含義。
真核細胞的起源 真核細胞起源亦即最原始的真核生物如何由其原核的祖先進化而來的問題。已知真核生物與古細菌類親緣較近，甚至可能是源於其嗜硫的一枝。真核生物至今還保保留著還原硫而制出硫化氫的能力，人的紅血球也可以。通過科學傢的努力，對真核細胞的起源已有瞭基本上的瞭解。隨著其先祖體積的增大，質膜發生內褶以保持質膜面積與原生質應有的比例。許多生化過程都是在質膜上發生的。如此就產生瞭與核糖體相結合的內質網。DNA基因組本來連在質膜上，內質網形成後也就連在內質網上。由於體積劇增，基因組也不得不增為多個。它們被包在由內質網膜所造成的特別適於活動的微環境中，如此也就形成瞭細胞核。原本彼此相同的多個基因組後來分別得到不同的基因，又失去不同的基因，因而逐步地分化成瞭不同的染色體。隨同體積的劇增，各種細胞骨架成分發展瞭起來，使得原生質有瞭運動的能力，令細胞能夠吞食外物。在此基礎上細胞得到瞭能夠利用氧以獲取能量的真細菌作為其內共生物，並最終使它們變成瞭線粒體。另外有些細胞後來又獲得瞭能夠進行光合作用的藍綠藻作為內共生物，並最後使它們變成瞭葉綠體。有人認為鞭毛是由附著在細胞外表過外共生生活的螺旋菌進化來的，但迄今還缺乏分子生物學的證明。
原核細胞和生命初始細胞的起源 所有現存的原核生物都已具有以DNA作為遺傳載體，由DNA轉錄出的mRNA在核糖體上進行蛋白質的生物合成，而各種蛋白則起著結構或酶的作用。原核細胞的起源將是21世紀生物學的重大課題，因為它涉及所有基本分子生物學過程的起源。現較廣泛被接受的理論認為原核細胞起源於一種僅由RNA與膜構成的生物，在其中遺傳載體、結構與酶的功能全都由不同的RNA分子來承擔。所以這樣設想是因為RNA的單鏈與雙鏈可以折褶成多種多樣極其復雜的三維結構，其中有些確實可以起酶的作用。在現今的生物體內還可以找到一些RNA酶的殘跡，例如核糖體RNA的一個小區段即起著使肽鍵形成的觸媒作用。人們在實驗室中已經合成出瞭許多可以起酶的作用的RNA分子，例如起RNA聚合酶作用的、起DNA與RNA的聚合酶作用的、起氨基酰tRNA合成酶作用的等。
但是這種RNA細胞還不大可能是生命起源之初所造成的初始細胞。RNA由核苷酸聚合而成的過程還是太復雜瞭，不大可能在無機世界中，在沒有生物觸媒的參與下進行。因此人們設想在RNA出現以前先有一種前RNA分子。後者也含有堿基，也能以自身為模板進行復制，但是較易於在無機世界中自然產生。如今所想到的一種是己環的吡喃糖核酸，另一種是肽鏈核酸，其骨架不是核糖磷酸鏈而是肽鏈。它們也同樣能折褶成復雜的結構而起酶的作用。
這樣的前RNA分子在原始的海洋中自然產生，並在小顆粒或小凹穴表面富集起來。隻要其中有一種有些核酸聚合酶的活性，本種及附近的他種前RNA分子的復制都會極大加速而使數量大增。如果它們為自然產生的磷脂雙膜所包圍，小分子能夠進出，大分子卻不會散失。隨著大分子數量增多，這種小泡就會長大。通過長期突變與選擇，各種酶的活性加強，這種小泡也就進化成瞭初始的活細胞。其後以前RNA分子為模板制出瞭RNA，後者逐步取代瞭前RNA分子，細胞內的酶增多，活性更強，RNA細胞也就形成。後來有DNA被制出。由於DNA遠比RNA為穩固，可以形成更大的分子，DNA終於成為細胞內所有RNA的遺傳載體。另一方面，有的RNA會折褶成類似核糖體的結構，使得有些蛋白可被制出。隨著蛋白質的制出，有蛋白加入膜與類核糖體結構，使它們活性大增。隨著蛋白合成的加強，酶的種類與活性都增強瞭，RNA酶逐步被淘汰，細胞內的生化反應大增並復雜化，RNA細胞也就進化成瞭原始的原核細胞。