A partir de los estudios de evolución molecular, Motoo Kimura aplicando las matemáticas, concluyó que la mayor parte de dicha evolución es impulsada por la mutación y la deriva aleatoria en lugar de la selección natural.

Fue uno de los genetistas teóricos de población más influyentes por su uso innovador de las ecuaciones de difusión para calcular la probabilidad de fijación de alelos beneficiosos, perjudiciales o neutros.

En 1968, Kimura presentó su teoría neutral de la evolución molecular, combinando la genética de la población teórica con los datos de evolución molecular, que tuvo una gran aceptación entre la comunidad científica, pese a que los primeros argumentos de Kimura no fueron muy convincentes. Sin embargo, sus premisas fueron aceptadas cuando King y Jukes llegaron a la misma conclusión en 1969. Kimura fue ampliamente honrado durante su vida. Recibió doctorados honorarios de las universidades de Chicago y Wisconsin. En las últimas décadas de su vida, defender la teoría neutral se convirtió en una obsesión. Pronto fue el genetista más conocido de Japón.

Su influencia fue tal, que el mismísimo James F. Crow, un reconocido genetista de la población, consideró a Kimura como uno de los dos genetistas evolutivos más relevantes, junto con Gustave Malécot, tras el gran trío de la síntesis moderna, Ronald Fisher, J. B. S. Haldane y Sewall Wright.