Rak powstaje w wyniku mutacji w krytycznych genach, które pozwalają zdrowym komórkom uciec z regulacji cyklu komórkowego i nabyć zdolność do proliferacji w nieskończoność. Chociaż rak pochodzi z pojedynczej mutacji w jednej z komórek pierwotnych, postępuje, gdy zmutowane linie komórkowe nadal zyskują coraz więcej mutacji, a w końcu stają się złośliwe. Na przykład przewlekła białaczka szpikowa (CML) rozwija się początkowo jako nieśmiertelny wzrost liczby białych krwinek, który stopniowo zwiększa się przez kilka lat, zanim przekształci się w stan śmiertelny.

Mutacje w genomie mogą powstać z powodu błędów podczas replikacji DNA lub uszkodzeń DNA spowodowanych przez czynniki rakotwórcze – czynniki, które mogą wyzwalać rakotwórcze mutacje w genie. Takie mutacje mogą być mutacjami punktowymi; na przykład narażenie na rakotwórczy kwas arystolochowy powoduje substytucje zasad od A do T. Mutacje mogą być również indelami, delecjami chromosomowymi na dużą skalę i translokacją, jak widać w mutacjach genów BRCA1 i BRCA2 raka piersi. Komórki CML mają chromosom Philadelphia, w którym część segmentu chromosomalnego jest translokowana między chromosomami 9 i 22.

Ewolucja komórek rakowych z normalnych komórek jest opisywana jako przykład ewolucji darwinowskiej, w której każda krytyczna dla raka mutacja jest naturalnie selekcjonowana i utrwalana w populacji. Rozwój raka zazwyczaj wymaga znacznej liczby niezależnych, rzadkich mutacji genetycznych i zmian epigenetycznych w linii pojedynczej komórki. Może to być przyczyną zwiększonej zachorowalności na nowotwory w funkcji wieku. Na przykład mediana wieku rozpoznania raka piersi u pacjentek wynosi 61 lat; W przypadku raka jelita grubego jest to 68 lat, a w przypadku raka płuc 70 lat.