Nem tudo que existiu deixou vestígio fóssil.  As condições para formação de um fóssil são tais, que os exemplares fossilizados são extremamente raros.  Algumas dezenas de organismos fossilizados são os que morreram em condições apropriadas enquanto milhões das mesmas espécies foram totalmente decompostos por não encontrarem essas condições.

"Fósseis são restos de animais e vegetais ou evidências de suas atividades que ficaram preservados em rochas.

Geralmente ficam preservadas as estruturas mais resistentes do animal ou planta, as chamadas partes duras, como dentes, ossos, conchas. As partes moles (vísceras, pele, vasos sangüíneos, etc.) preservam-se com muito mais dificuldade. Pode ocorrer também, o caso ainda mais raro de ficarem preservadas as partes duras e as moles, como no caso de mamutes lanudos que foram encontrados intactos no gelo, e de alguns insetos que fossilizam em âmbar.

Considera-se fóssil aquele ser vivo que viveu há mais de 11.000 anos, ou seja anterior ao Holoceno, que é a época geológica atual. Restos ou evidencias antigas mas com menos e 11.000 anos, como os sambaquis, são classificados como subfósseis.

A Paleontologia, o estudo dos fósseis, divide-se em Paleozoologia (estudo dos fosseis animais), Paleobotânica (estudo dos fósseis vegetais) e Paleoicnologia (estudo dos icnofósseis, que são as estruturas que mostram o comportamento do animal, como pegadas, sulcos, perfurações ou escavações).

A fossilização resulta da ação combinada de processos físicos, químicos e biológicos. Para que ela ocorra, ou seja, para que a natural decomposição e desaparecimento do ser que morreu seja interrompida e haja a preservação, são necessárias algumas condições, como rápido soterramento e ausência de ação bacteriana decompondo os tecidos. Também influenciam na formação dos fósseis o modo de vida do animal e a composição química de seu esqueleto.

Entre os restos animais passíveis de preservação incluem-se as estruturas formadas de sílica (óxido de silício), como as espículos das esponjas; calcita (carbonato de cálcio), como as conchas de muitos moluscos e os corais; e a quitina, substância que forma o esqueleto dos insetos.

É interessante observar que as folhas, caules, sementes e pólens podem ser preservados, mas normalmente não aparecem juntos.

A fossilização pode se dar por diferentes processos:

Incrustação – ocorre quando substâncias trazidas pelas águas que se infiltram no subsolo depositam-se em torno do animal ou planta, revestindo-o. Ocorre, por exemplo, em animais que morreram no interior de cavernas. Dos materiais que se depositam os mais comuns são calcita, pirita, limonita e sílica.

Permineralização – bastante freqüente, ocorre quando substâncias minerais são depositadas em cavidades, como poros ou canalículos, existentes em ossos e troncos, por exemplo. É assim que se forma a madeira petrificada.

Recristalização – rearranjo dos cristais de um mineral, dando-lhe mais estabilidade. Exemplo clássico e a substituição de aragonita por calcita.

Carbonificação ou incarbonização – decorre da perda de substâncias voláteis (oxigênio, hidrogênio e nitrogênio principalmente), restando uma película de carbono.

Em ambientes muito secos e áridos, a rápida desidratação também permite a preservação de animais (inclusive de corpos humanos). Chama-se a isso mumificação.

Os fósseis do tipo vestígios, não são restos de um ser vivo mas evidências de que ele existiu. Se uma concha é preenchida e totalmente recoberta por calcita, vindo depois a se dissolver, poderá ficar, no material que preencheu, um molde interno e no que a recobriu, um molde externo. E, se o espaço por ela antes ocupado for preenchido, ter-se-á um contramolde.

Outros vestígios são as impressões, deixadas por exemplo por folhas em sedimentos carbonosos, freqüentes nos carvões de Santa Catarina. Também são considerados vestígios os coprólitos (excrementos de animais), gastrólitos (pequenas pedras que as aves e alguns répteis possuem no aparelho digestivo), ovos (isolados ou reunidos em ninhos), marcas de dentadas (deixadas por dinossauros, por exemplo) e os já citados icnofósseis (pegadas, sulcos, etc.)

Algumas estruturas parecem-se muito com fósseis, mas não o são.