Đồng hồ phân tử (tiếng Anh: molecular clock) là một kỹ thuật sinh học sử dụng nhịp độ đột biến (mutation rate) của các phân tử sinh học để suy ra thời gian (tuổi) trong giai đoạn tiền sử khi hai hoặc nhiều dạng sống khác nhau phân kỳ di truyền với nhau, tức sự chia tách loài từ tổ tiên chung. Dữ liệu phân tử sinh học được sử dụng cho các tính toán như vậy thường là trình tự nucleotid đối với chuỗi DNA hoặc trình tự amino acid đối với protein. Các điểm đánh dấu để xác định tỷ lệ đột biến thường là tuổi hóa thạch hoặc khảo cổ học . Đồng hồ phân tử lần đầu tiên được Emile Zuckerkandl và Linus Pauling thử nghiệm năm 1962 với các biến thể protein hemoglobin của các loài động vật khác nhau và thường được sử dụng trong quá trình tiến hóa phân tử để ước tính thời gian của sự hình thành loài hoặc tỏa tia tiến hóa (? Evolutionary radiation). Vì thế đôi khi nó được gọi là đồng hồ gene hoặc đồng hồ tiến hóa, và là phương tiện quan trọng trong di truyền phân tử .