近代細胞學研究，特別是20世紀60年代以來細胞超微結構研究的開展，發現原核細胞與真核細胞之間內部結構差別懸殊，從而證明生物界內部在結構上的最大的不連續不是在動物和植物之間，而是存在於細菌、藍菌等原核生物與單細胞、多細胞的真核生物兩大類生物之間。
生物生命史研究證明，原核生物在地球上出現很早，而且在整個生命史的前3/4的時間裏，它們是地球生物圈的唯一的或主要的成員。從化石記錄來看，雖然有爭議的單細胞真核生物化石出現於19～20億年前，但較可靠的、大量的真核生物化石出現於元古宙晚期，即大約8～10億年前。
原核細胞與真核細胞之間差別懸殊，從原核細胞向真核細胞的進化是最重要的細胞進化事件。由於缺少連續的中間過渡類型，因此學者們在進化過渡方式上一直存在爭議，出現了主張漸進式的進化與主張通過細胞內共生而實現過渡的兩種截然對立的觀點。
主張真核生物起源於細胞內共生的觀點可以追溯到200多年前。1883年A．F．W．Schimper發現植物葉綠體可以自主繁殖、分裂，從而認為植物的質體來源於“寄生”的藍綠藻（即藍菌）。20世紀80年代初美國波士頓大學的生物學家L．Margulis出版了她的專著《細胞進化中的共生》，重新提出並詳細論證了“真核細胞起源於細胞內共生的假說”。她認為真核細胞是一個複合體，原核細胞才是最小的細胞單位；真核細胞起源於若幹原核生物與真核生物祖先的胞質（cytosol，即相當於除了細胞器以外的真核細胞成分）共生。
具體地說，真核細胞的線粒體和質體來源於共生的真細菌（線粒體可能來源於紫細菌，質體來源於藍菌），運動器（包括鞭毛和胞內微管係統）來自共生的螺旋體類的真細菌。這一假說除了有許多自然界的細胞內共生的事實和真核細胞器相對的獨立性，以及細胞器DNA中有與原核生物DNA相同的序列等有利的論據之外，還得到了近來比較分子生物學方麵的研究結果的支持。
例如，對不同生物核糖體核酸的亞單位16SrRNA的一級結構的比較研究證明，真核細胞的確是一個複合體，它的胞質部分和細胞器部分是不同來源的。真核細胞的胞質部分是和原核生物中的真細菌及古細菌同樣古老，而細胞器則接近於真細菌。
但是，內共生假說也存在著一些難點和論據不足之處。例如，內共生說對細胞核起源難以解釋。又如，真核細胞的細胞器DNA與原核細胞DNA有部分相同的順序，這被作為內共生說的論據；但是真核細胞質體中的DNA也包含真核生物特有的核基因和內含子序列，而且真核細胞核DNA中也包含有與原核細胞DNA相同的部分，可見內共生說這方麵的論據是不足的。反對內共生說的學者認為這個假說太粗糙，隻注重形態學方麵而忽略細胞生理和生化特征。
20世紀70年代有一些學者用吞噬作用、內胞形成和細胞內間隔作用的漸進發展來解釋細胞核與細胞器的起源。最近又有人提出膜進化理論，即用膜分化導致代謝分隔來解釋細胞器和細胞核的起源。
主張從原核細胞到真核細胞是漸進的、直接的進化過程的學者們提出了下麵一些論據：
（1）原核細胞與真核細胞之間存在著一些中間過渡類型，例如原綠藻（沒有細胞核，但色素組成等特征與綠藻相似）、藍菌（原核細胞，但其光合作用與真核的植物相似）、紅藻（真核細胞在色素組成上接近藍菌）；
（2）從代謝的生理、生化特征的比較看，真核細胞的需氧呼吸代謝更可能是通過原核生物發酵途徑的重複、改造而建立的；
（3）某些行光合作用的原核生物具有複雜的胞內膜結構。
關於從原核細胞到真核細胞的進化過渡途徑，雖然至今仍有爭論，但愈來愈多的分子係統學的證據傾向於支持細胞器的共生起源假說。例如，不同生物的核糖體核酸小的亞單位的序列（一級結構）比較分析表明，質體可能來源於近似藍菌的原始祖先，是通過多次的共生事件而進化產生的。
主張質體起源於多次共生事件的論據是：
（1）現生的真核生物的質體及其色素組成有顯著不同的三種類型，即含有葉綠素a和b的綠藻和陸地植物，含有葉綠素a和c的雜色藻和含有葉綠素a與藻膽素蛋白的紅藻。這三種類型可能代表三條進化線係，是各自獨立起源的。