在地质年代中，多细胞生物究竟最早起源于何时，现存的多细胞生物特别是后生动物的内部分化关系，始终是一个谜团。
1 8 5 9年达尔文完成《物种起源》时，他认为自己几乎解释了有关进化的所有问题，只有一个问题一直很费解，那就是5.4亿年前至5.3亿年前古生代之初的早寒武纪生命突然爆发的奇特现象——许多多细胞动物突然出现在化石记录中，在早期的岩层中却没有明显的祖先，这个问题也被称为“达尔文之惑”。
随着地质学和古生物学的发展，现代所发现的最早的多细胞生物的化石早就不限于寒武纪了，除了著名的6.3亿年前的埃迪卡拉生物群以外，比如更早的在拉伸纪（10亿年前~7.2亿年前）的地层中发现有大型具刺凝源类，还发现了Otavia antiqua这样的海绵动物的化石。而多细胞的红藻和绿藻的化石则在中元古代（16亿年前~10亿年前）的地层中即有发现。法国普瓦捷大学的阿伯德拉扎克·阿尔巴尼教授领导的研究团队2008年甚至在加蓬地区发现了21亿年前的卷曲藻的化石，声称这是目前发现的最古老的多细胞生物。
埃迪卡拉生物群（约6.35亿~5.7亿年前）
淮南生物群（约9亿年前）中的淮南虫化石
安徽蓝田生物群的化石（约6亿年前）
延展纪（约14亿年前~12亿年前）的红藻化石复原
21亿年前卷曲藻化石样本的内部、外部结构复原图
分子钟作为一种技术，它是在生物进化中，根据不同物种的DNA分子排列结构的差异，通过分子进化学的演化规律，来大致判断这些物种的最近祖先的出现时代。
原本，一些研究者认为原口动物 (节肢动物、环节动物和软体动物)和后口动物 (脊索动物和棘皮动物)的分支演化时间为约6亿年前。而脊索动物门和棘皮动物门的分支演化发生在寒武纪初期。
w a n g 等学者 ( 1 9 9 9 )利用分子钟技术，考虑到不同基因分支时间估计的差异很大 , 高达 2 5% 一 3 5 % , 分析了 5 0 个基因 来研究早期动物各门类的分支时间及动物 、 植物和真菌的出现时间。其结果表明 , 植物 、动物 与真菌 的分支时间约为16亿年前 ; 原口动物与后口动物的分支时间在10亿年前~15亿年前之间 。 由于目前还从未发现拉伸纪之前的多细胞动物的化石，后生动物的分支时间比化石记录至少早4亿年。按照这种说法，多细胞动物至少已经有十几亿年的演化历史。而 F e n g 等 ( 1 9 9 7 ) 与 G u ( 1 9 9 8 ) 利 用 多基因手段分别发现原口动物与后口动物的分支时间则为8.3亿年前和8.5亿年前。而国内的某些学者仍然保守估计最早的多细胞动物产生于成冰纪雪球地球全球大冰期时期（约7.2亿年前~约6.35亿年前）。但可以肯定的是，多细胞藻类植物的产生时间远早于后生动物，它们在中元古代甚至可能古元古代就已出现。
学过中学生物的都知道，生物学有“五界系统”，分别是原核生物界、原生生物界、动物界、植物界、真菌界。也都知道“原生动物”是最原始最简单的动物。但其实这些分类法是存在很多问题的，从某种意义上讲，中学生物教材上引入的观念已经过时了。
原本，我们把“原生生物”中接近于动物的类型称之为“原生动物”。但其实所谓的“原生生物”、“原生动物”实际上都是大杂烩的并系群（指没有最近的共同祖先的并列的若干群体），它们内部的亲缘关系相差甚远。一种新的生物归类方法中则认为，真核生物应该分为五大类，分别是后鞭毛生物（后生动物和真菌）、变形虫界、植物界、SAR超群（包括有孔虫、草履虫、褐藻、硅藻等）、古虫界（眼虫、滴虫等），这是根据较新的分子生物学研究得出的结论。没错，真菌是我们动物的*亲近**，它们比植物与我们的亲缘关系更接近。而褐藻、硅藻、金藻、黄藻等所谓的藻类应当和草履虫、有孔虫等传统意义上的“原生动物”为同类，也就是说，我们熟知的海带、裙带菜等多细胞褐藻其实并不算严格意义上的植物，但是红藻、绿藻还是属于植物界的。古虫界则包括既可以光合作用又可以自由运动的生物。变形虫和草履虫原本被我们视为同类，但其实它们相差甚远，变形虫应当单独作为一个界。这种崭新的归类方法当然也对研究地质年代中早期多细胞生物的分化有很大帮助。
在生物从单细胞向多细胞演化的过程中，首先必须解决由一个生殖细胞来产生整个生物的问题，而单细胞生物的有性生殖被认为是多细胞生物产生的前提条件。而单细胞生物向多细胞演化则主要有群体学说、合胞体学说和共生学说。
群体学说认为，单细胞生物通常会聚集在一生活，例如河水中很容易见到群聚而生的变形虫、草履虫等，这些单细胞生物的集合体在一定程度上会发展出不同个体的分工，于是就会有细胞的分化，例如团藻也是一种单细胞生物的集合体，但却已经有了生殖细胞和营养细胞的分化，这使得它向多细胞生物演化。单细胞生物的群居生活最终演化出最早的多细胞生物。
团藻这种只由若干个营养细胞和少数生殖细胞组成的简单集合体，在地球水域中可能已经存在了10亿年。
合胞体学说则认为，多细胞动物来源于多细胞核的纤毛虫，后来纤毛虫的每个细胞核都获得了一部分细胞质和细胞膜便发育成了单独的细胞，纤毛虫便从单细胞体演化成了多细胞体。
共生学说则认为不同种类的单细胞生物互利共生在一起发育成多细胞体，但这些单细胞生物的遗传物质差异很大，如何融合形成一个新生命则是个问题。
关于多细胞生物的起源时间以及早期分化，至今还尚无定论。但可以肯定的是，多细胞的红藻、绿藻都早在多细胞动物出现之前就已至少存在了数亿年，而和动物关系较为亲近的真菌化石在中元古代也已出现，在8亿~5.7亿年前的前寒武纪时期，一些大型真菌已经登上了陆地。而多细胞动物最早可能是类似于扁盘动物（丝盘虫）这样的形态。
丝盘虫只有上下两层细胞，无体腔、消化腔、神经系统，可自由变形，相当于多细胞的变形虫，以细菌为食。
浮浪幼虫是水母等腔肠动物的幼体，一般认为早期的多细胞动物在形态上类似于浮浪幼虫。
总的来说，传统的化石记录和新兴的分子钟研究技术是可以提供生物起源和分支时间的两种常用手段 。而化石记录是生命起源时间的最好佐证。但前寒武纪地层化石的严重匮乏 , 给我们探讨各个生物类群的起源时间带来了很大的困难。总的来说，多细胞生物的起源和分化仍是一个有待人类进一步深入研究的重要话题。