Cheminė evoliucija arba prebiotinė evoliucija vadinamas pirmasis gyvybės evoliucijos etapas, kuriame organinės, prebiotinės medžiagos susidarė iš neorganinių molekulių veikiant išoriniams faktoriams, veikiant saviorganizacijos procesams, būdingiems visoms sąlyginai sudėtingoms sistemoms.
Taip pat vadinama ir tų molekulių, kurios turi esminę reikšmę gyvosios medžiagos atsiradimui ir vystymuisi, atsiradimo ir vystymosi teorija.
Kada ir kur prasidėjo cheminė evoliucija nežinoma. Pagal vieną iš versijų hadėjuje, tarp Žemės atsiradimo ir gyvybės atsiradimo, prieš 4,2-3,8 mlrd. metų, iš abiotinių neorganinių molekulių, veikiant energijai iš pradžių susidarė organiniai junginiai ir prebiotinės molekulės, iš kurių vėliau išsivystė pirmosios gyvybės formos. Panašūs procesai iš principo įmanomi ir kitose Visatos dalyse, kur egzistuoja palankios temperatūrinės sąlygos (pvz., egzoplanetose). Organinių medžiagų, t. y. anglies-vandenilio junginių, susidarymas laikomas būtina sąlyga gyvybės atsiradimui, kaip ir tinkama temperatūra, intensyvaus elektromagnetinio spinduliavimo nebuvimas bei vanduo.
Žemei vos susidarius, jos atmosferą sudarė vandens garai, azotas, anglies dioksidas, nedidelis kiekis vandenilio ir anglies monoksido. Cheminei evoliucijai ypač svarbu tai, kad atmosferoje nebuvo deguonies, kuris galėtų oksiduoti susidariusius organinius junginius. Atmosferos dujos, ištirpusios vandenynuose, veikiamos išorinių energijos šaltinių, tokių kaip žaibai, vulkanų karštis ir radiacija, jungėsi į primityvius organinius junginius.
Cheminės evoliucijos rekonstravimas yra sudėtingas, nes iš laikų prieš 3,8 mlrd. metų nėra išlikusių jokių fosilijų ar tikslių žinių apie geocheminę Žemės sudėtį. Dėl to apie cheminės evoliucijos eigą yra sukurta ne viena hipotezė. 1953 m. Stenlio Milerio atlikto bandymo metu (žr. Milerio–Urėjaus eksperimentas) pirmykštę žemės atmosferą atitinkantis mišinys įleistas į uždarą sistemą, kurioje buvo sudaromos elektros kibirkštys (žaibų imitacija). Po savaitės mišinyje rasta aminorūgščių ir kitų organinių rūgščių.
