Sympatrisk artsdannelse kan forekomme på en række forskellige måder, men en almindelig mekanisme er gennem naturlig selektion. I dette scenarie er en population af organismer opdelt i to grupper af en fysisk barriere, såsom en bjergkæde eller en flod. De to grupper udvikler sig derefter uafhængigt, og med tiden kan de blive så forskellige, at de ikke længere er i stand til at krydse hinanden.
En anden måde, hvorpå sympatrisk artsdannelse kan forekomme, er gennem seksuel selektion. I dette scenarie er en population af organismer opdelt i to grupper baseret på deres seksuelle præferencer. For eksempel kan den ene gruppe foretrække at parre sig med individer, der ligner dem selv, mens den anden gruppe foretrækker at parre sig med individer, der er forskellige fra dem selv. Med tiden kan de to grupper blive så forskellige, at de ikke længere er i stand til at krydse hinanden.
Sympatrisk artsdannelse er en relativt sjælden begivenhed, men den er blevet dokumenteret hos en række forskellige arter. Nogle eksempler på arter, der har gennemgået sympatrisk artsdannelse, omfatter de afrikanske cichlider, æblemaddikefluen og trehvirvelpinden.
Darwins vandpyt er en stærk påmindelse om, at evolution ikke altid er en gradvis proces. I nogle tilfælde kan nye arter opstå meget hurtigt, selv uden geografisk adskillelse.