种系发生学 (希腊语 φυλογένεση，φύλο，现代希腊语：fílo - 种系，性别和γεννήση，现代希腊语：jénnissi - 新生，诞生。也被称作系统发生。)是指在地球历史发展过程中生物种系的发生和发展。
这个概念不单止用于动物种系的发生与发展，还会用在系统学各个层面的分类单元上面。它也会被用到某一特征的在生物发育过程中的进化这一方面。
种系发生的研究是通过以下的手段实现的：
化石形态学和解剖学特征的比较和研究，
现存生物的形态学，解剖学和生理学特征的比较，
生物，特别是现存生物的个体发生研究，
DNA分析，例如测序和分子种系发生方法。
通过这些数据，人们就可以为生物建立一棵种系发生树（演化树），其中描述了各个物种之间可能有的亲缘关系。
种系发生研究的最大困难是，种系发生的进化过程是不能被直接通过观察和实验被证实的。所以各个方面的证据都要被综合起来分析。由于对这些证据的侧重不同，会经常造成有多个不同的演化树版本，例如原口类动物的几个门究竟是归到蜕皮动物（来自遗传学方面的证据）还是触手动物（形态学方面的证据）。
特征被分为同源和同功两种。
同源，例如同源器官或是同源的行为方式，会显示出相同的躯体基本构造，因为环境的不同而进化成不同的外形或功能。同源器官的外形和功能可以相差很大。一个很好的例子就是脊椎动物的前肢。它们可以成为足，翅膀（鸟， 翼龙，蝙蝠），鳍（鱼，企鹅，鱼龙，鲸），手（人类，猿和一些恐龙），挖掘工具（田鼠，裸滨鼠，袋鼹)。但其骨骼构造却是相似的。这些相似性只能用种系发生的理论去解释。
同源特征证实了物种间的亲缘关系，是重构进化树的有力手段。同源现象在生物学中可以进一步分为直系同源（直系同源是指在不同物种中的某一基因来自同一祖先）和旁系同源（种系间的基因复制） 。
同功，例如同功器官外形的相似，功能的相同，但它们却是通过趋同演化独立发展出来开的。如墨鱼的眼睛和脊椎动物的眼睛，它们外形构造相似，功能都是感光。但透过显微镜可看到，它们的微细结构不一样。对个体发生的研究显示，它们是从不同胚层发育而来的。同功现象并不是亲缘关系的证据。
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