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Lynn Margulis nació en 1938 en la ciudad de Chicago. Inició sus estudios de secundaria en el instituto público Hyde Park. Posteriormente, fue trasladada por sus padres a la elitista Escuela Laboratorio de la Universidad de Chicago, pero se escapó y regresó al instituto con sus antiguos amigos, lugar al que ella pensaba que pertenecía. En aquel centro dio clases de español.

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A los 16 años fue aceptada en el programa de alumnos adelantados de la Universidad de Chicago donde se licenció en Biología a los 20 años. De allí salió, según sus palabras, con un título, un permanente escepticismo crítico y un marido, el astrofísico Carl Sagan, con quien tuvo dos hijos y del que se separó posteriormente. Antes de acabar la carrera, estuvo en México estudiando el uso de las plantas por los curanderos.

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En 1958 continuó su formación en la Universidad de Wisconsin como alumna de un máster y profesora ayudante. Estudió biología celular y genética, teniendo como profesor a James F. Crow, del que afirmaba que influyó mucho en su vida. En 1967 volvió a contraer matrimonio con el cristalógrafo Thomas N. Margulis, del que adoptó el apellido. Tuvo con él otros dos hijos y más tarde se separó de él. En 1977 comenzó a estudiar los tapetes microbianos en una laguna mejicana. Los tapetes son ecosistemas microbianos con características muy parecidas a las que debieron existir al principio de la historia de la vida. Más tarde, extendería estos estudios a otras partes del mundo; en España, estudió el delta del Ebro.

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Margulis siempre se sintió atraída por el mundo de las bacterias que hasta entonces, eran consideradas únicamente como gérmenes patógenos sin interés para el evolucionismo. Investigó en trabajos ignorados y olvidados para apoyar su primera intuición sobre la importancia del mundo microbiano en la evolución. Siempre valoró los antecedentes de la biología y mostró admiración por los profesores que tuvo.

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Cuando conoció la obra de E.B. Wilson: The Cell in Developement and Heredity (La célula en el desarrollo y la herencia) la consideró excelente y a partir de ese momento, se centró en desarrollar su teoría endosimbiótica y las consecuencias de la misma en la evolución. Sus aportaciones a la biología y al evolucionismo son múltiples: describió paso a paso el origen de las células eucariotas; colaboró en la clasificación de los seres 2 vivos en cinco reinos; formuló su teoría sobre la simbiogénesis y la importancia de ésta en la evolución; apoyó desde el primer momento la hipótesis Gaia de Lovelock, contribuyendo a ella desde la biología, y realizó un gran número de trabajos sobre organismos bacterianos concretos, formas de vida simbióticas y otros temas relacionados con la Biología, algunos de ellos publicados con su hijo Dorian Sagan.

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En la fecha de su muerte, 22 de noviembre de 2011, estaba trabajando en el estudio de diferentes espiroquetas y su posible protagonismo en procesos simbiogenéticos. Es considerada una de las más importantes científicas de la biología microbiana y celular en general, a pesar de las dificultades que implicaba ser mujer en la sociedad científica de su tiempo. En conclusión, podemos afirmar que contribuyó a sentar las bases de la biología actual.

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La Teoría Endosimbiótica de Lynn Margulis, también llamada Teoría de la Endosimbiosis Seriada, está considerada como su aportación más importante.

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Esta teoría describe el paso de las células procarióticas a células eucarióticas mediante incorporaciones simbiogenéticas de bacterias. Para formularla, Margulis se basó en los trabajos olvidados de científicos (Schimper, Merezhkovsky y Portier) de finales del siglo XIX y principios del XX, que relacionaban la capacidad fotosintética de los vegetales con las cianobacterias y que proponían el origen simbiótico de los cloroplastos y de los eucariontes.

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Fue publicada en 1967, en la revista Journal of Theoretical Biology. En ella, Margulis defiende que algunos orgánulos de las células eucarióticas proceden de células procariotas primitivas que habrían estado en endosimbiosis con las primeras.
Llegó a esta conclusión comparando las bacterias, mitocondrias y cloroplastos y observando las siguientes semejanzas:
• El tamaño similar de las mitocondrias y de algunas bacterias.
• Las mitocondrias presentan crestas comparables a los mesosomas.
• El parecido entre los ADN.
• La existencia de una membrana plasmática que permite la fagocitosis.
• La síntesis proteica que realizan es autónoma.
• Los ribosomas de las mitocondrias y cloroplastos, al igual que los de las bacterias, son 70s.
• En las mitocondrias y cloroplastos los centros de obtención de energía se sitúan en las membranas, al igual que ocurre en las bacterias.
• Presentan similitudes en los procesos metabólicos.
• Las mitocondrias y los cloroplastos tienen autonomía en la célula pudiendo dividirse y formar orgánulos hijos.

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La primera simbiosis se produjo al fusionarse una bacteria nadadora (del tipo de una espiroqueta) con otra que utilizaba el azufre y el calor como fuente de energía; así se originaría un organismo con las características de ambas que sería el primer 4 eucarionte, con membrana nuclear, y que se convertiría en el ancestro de todos los organismos pluricelulares. La segunda simbiosis se realizó entre este eucarionte anaerobio y una bacteria aerobia, capaz de realizar la respiración celular, mucho más eficiente que la fermentación; de esta forma, la célula eucariota adquiriría la capacidad de obtener más energía a partir de la materia orgánica. Así surgieron las células eucariotas con mitocondrias que, posteriormente darían lugar a los hongos y los animales. La tercera simbiosis se realizó entre estos organismos aerobios y las cianobacterias, que aportaron a la célula eucariota la capacidad de obtener energía a partir de materia inorgánica mediante el proceso de fotosíntesis. Así surgieron las células eucariotas con cloroplastos y mitocondrias, que darían lugar a los vegetales.

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En un principio, la teoría endosimbiótica fue muy atacada, especialmente por los más estrictos defensores de la selección natural como motor de la evolución. - La aparición de eucariontes a partir de simbiosis ha sido uno de los aspectos más discutidos. Para explicarla se ha propuesto un origen alternativo a partir de las 5 invaginaciones de membranas que darían lugar a la membrana nuclear. Otros argumentos en contra fueron:

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- La estructura de los flagelos de los eucariontes es diferente de la de los protistas, pero existen asociaciones entre protistas y espiroquetas que apoyan la teoría de Margulis.
- Las mitocondrias y los cloroplastos poseen regiones de ADN exclusivas de las células eucariotas; esto se podría explicar suponiendo una transferencia de ADN entre el núcleo y dichos orgánulos.
- Ni los plastos ni las mitocondrias pueden vivir independientemente; este inconveniente podría solucionarse si consideramos que los genes que les permitían vivir de manera autónoma fueron eliminados y parte del ADN se transfirió a la célula eucariota permitiendo que ésta regule la actividad mitocondrial.
- Las células eucariotas no pueden vivir sin dichos orgánulos, esto se debe a que han desarrollado mecanismos metabólicos que necesitan grandes cantidades de energía que le son proporcionados por los orgánulos.