Есть несколько гипотез, объясняющих, почему биолюминесценция развилась независимо в различных группах морских животных: 13

• Одна из гипотез связывает появление люминесценции с необходимостью противостоять действию свободных радикалов, накапливающихся в организме. 1 Возможно, изначально среди морских организмов, живущих в поверхностных водах, распространился антиоксидант, который обеспечивал защиту от вредоносных солнечных лучей. 2 Когда организмы начали колонизировать более глубокие океанические воды, где необходимость в антиоксидантах ниже, пригодилась способность испускать свет. 2
• По другой гипотезе, биолюминесценция возникла у организмов, населявших Землю в те далёкие геологические эпохи, когда в атмосфере отсутствовал кислород. 3 Возможно, в процессе эволюции часть анаэробных организмов приобрела способность связывать поступающий в клетку кислород и мгновенно высвобождать ненужную для метаболизма энергию окисления путём выброса фотонов света. 3
• Ещё одна гипотеза предполагает, что биолюминесценция изначально возникла в природе как побочный результат каких-то действительно жизненно необходимых биохимических или физиологических процессов, протекающих в клетках и тканях. 3

Анализ ДНК некоторых видов люминесцирующих животных свидетельствует о том, что люминесценция появлялась независимо у разных групп организмов в процессе эволюции как минимум 40 раз. 1