许多不同的物种间都具有同源性。现代分子生物学中的同源性描述的是基因与基因之间相似关系，它表明的是两个相比较的序列之间的匹配程度。一般来说，如果两条基因序列相似性达80％ ，就可以把它们称为“同源基因(homologousgene)”。为了便于研究，Fitch又把同源基因分为直向同源基因、横向同源基因和异源同源基因。
1．直向同源基因
直向同源基因(orthologous gene)又译为“垂直同源基因”、“正同源基因” 或“定向进化同源基因”、“直系同源基因”，是指从同一祖先垂直进化而来的基因。或者说，一个祖先物种分化产生两种新物种，那么这两种新物种共同具有的由这个祖先物种继承下来的基因就称为直向同源基因。直向同源基因通常是编码生命必需的酶、辅酶或关键性的调控蛋白的基因，具有功能保守，进化缓慢，变化速度可覆盖整个进化历史，且序列变化速度与进化距离相当等特征。大多数直向同源基因功能相同或相近，调控途径也相似， 因此在基因组序列的注释中，是最可靠的选择，例如人α一珠蛋白基因与小鼠α一珠蛋白基因。
2．横向同源基因
横向同源基因(paralogous gene)又译为“旁系同源基因”、“并系同源基因”或“平行进化同源基因”，是指由于基因重复而产生的同源基因例如人γ一珠蛋白基因和β一珠蛋白基因。基因重复后，进化选择压力变小、其中一条基因丢失或发生沉默都是促使横向同源基因分化产生新特性或新功能的原因。然而，虽然某些横向同源基因转录区序列相似度不高，但它们的操纵子却仍然具有较高的保守度。值得注意的是，横向同源基因并不局限于同一物种内，不同物种中由于始祖基因的复制而分化的基因也称横向同源基因，如鼠α一珠蛋白和鸡β一珠蛋白基因。
3．异源同源基因
异源同源基因(xenologous gene)是由于基因在不同物种间的横向转移(horizontal transfer)而产生的。异源同源基因在原核生物中研究比较多。最近研究表明，异源同源基因的原位取代xenolo—gous gene displacement in situ)是细菌进化的强大推动力。另外，在比较真核基因组和原核生物基因组时发现，小部分脊椎动物基因在细菌中有同源序列，而在其他真核生物中却没有发现同源序列。一种解释认为，这些基因从细菌直接水平地转移到脊椎动物的祖先，也是异源同源基因；另外一种解释则认为，是由于其他的真核生物丢失了这些基因。
基因的直向同源、横向同源或异源同源关系见图1。如图1所示，祖先物种通过两次物种分化形成ABC三个物种；伴随物种分化而进行的两次基因重复共形成A1、B1、B2、C1、C2、C3等6个基因。显然，C2与C3互为横向同源；B1与C1互为直向同源；AB1与其他6个基因互为异源同源。然而，B1和B2、B2和C1又是什么关系呢?在这个问题上曾引起争议。我们从图中可以看出，B1和B2、B2和C1的分离是由于第一次基因重复而产生的，套用定义，可得出B1和B2、B2和C1互为横向同源。同理，B1和C2／C3、C1和C2／C3也互为横向同源。类似的，根据直向同源基因的定义，B2和C2／C3、A1和所有B基因及C基因互为直向同源。
以上只是根据基本定义进行的大致的归分。然而，在研究亲缘关系较远的物种时，物种分化和基因重复的嵌套发生使研究具有很大的复杂性和困难度。这时，笼统的划分直系同源和旁系同源关系并不足以解决问题，我们需要一个更为精确的分类。在图1中，为了区别于B1和C1的简单的直向同源关系，把B2和C2／C3的同源称为“共生直向同源”co—ortholog)或“横向同源基因家族谱系特异性扩充”(1ineage—specific expansion ofparalogous family)。为了区分C2和C3、B1和C2／C3这两种同源关系，可以根据物种分化和基因重复的发生的先后次序，把横向同源基因又分为内横向同源基因(inparalog)和外横向同源基因(outparalog)。在物种分化之后产生横向同源基因的称“内横向同源基因”；在物种分化之前产生横向同源基因的称“外横向同源基因”。 “内横向同源基因”和“外横向同源基因” 只是一种相对的划分，取决于所研究的系统和选作标准的某特定分化事件。图1中，若以第二次物种分化为准线，则C2和C3的分离发生在物种分化之后，因此它们互为内横向同源基因；B1和C2／C3的分离发生在物种分化之前， 因此B1和C2／C3互为外横向同源基因。
