Les fossiles sont des restes d'organismes (squelettes, dents...) ou les empreintes qu'ils ont laissées dans les roches. Certains ont conservé la forme de l'organisme originel. Le terme de « fossile » s'applique aussi à leurs traces d'activité (pistes, terriers, déjections, graines ou pollens, pontes, etc.). La fossilisation est un phénomène rare, qui demande des conditions particulières. Seule une infime partie de la faune et de la flore des temps géologiques a pu être conservée, dans les terrains sédimentaires, sous forme de fossiles. Les informations qu'offrent ces derniers sur le passé de la Terre – ou plutôt sur l'évolution de sa surface – présentent donc d'énormes lacunes. La science qui étudie les fossiles est la paléontologie.

La fossilisation.

Si un organisme se trouve, après sa mort, à l'abri de l'air, entouré de matière minérale (calcite et silice en particulier) qui pénètre ses tissus ou se dépose sur sa surface, sa substance peut être détruite en totalité ou en partie, mais il conservera sa forme et même, jusqu'à un certain point, sa structure : il sera devenu fossile. Souvent, le corps disparaît sans laisser d'autres traces que les empreintes, ou moules, de sa forme extérieure, parfois de sa forme interne et, beaucoup plus rarement, de ses parties molles. En effet, le plus souvent, ce sont les parties dures des organismes qui sont conservées (os, coquille), tandis que les parties molles sont détruites.

Les restes d'organismes sont fossilisés par le carbonate de calcium (calcite, dolomite, aragonite), la silice, le phosphate de calcium (ossements de vertébrés, dents), la pyrite, les oxydes de fer, parfois l'ambre ou l'asphalte. Les plantes, contrairement aux animaux, sont très souvent « carbonifiées ». L'accumulation de fossiles peut être à l'origine de roches sédimentaires telles que la craie, formée de coccolites, ou les lumachelles, constituées par exemple à partir de coquilles d'huîtres. Les roches calcaires sont, en général, issues de dépôts fossilifères.

Fossiles et stratigraphie.

La stratigraphie, qui étudie la succession des couches géologiques, utilise les fossiles que certaines contiennent comme des « marqueurs » caractéristiques pour dater ces couches, les corréler entre elles et, donc, établir une chronologie. Les meilleurs marqueurs correspondent à des successions nettes de formes au sein d'une même espèce ou à des successions d'espèces rapidement disparues et, dans les deux cas, à large répartition dans l'espace. Avec les ammonites du mésozoïque, par exemple, on est parvenu à découper en tranches de 100 000 ans une ère qui a duré quelque 180 millions d'années. Tous les fossiles ne sont pas utilisables en stratigraphie : certaines espèces ont persisté pendant des millions d'années sans subir d'évolution notable. Les fossiles chronostratigraphiques, dits aussi « fossiles caractéristiques », ont au contraire évolué rapidement et, par conséquent, ont vécu pendant une durée limitée, et, par ailleurs, ont connu une grande extension géographique. Ce sont souvent des fossiles marins.

Certains fossiles non caractéristiques peuvent cependant être utiles, car ils sont à même de révéler la nature du milieu de sédimentation (continental, littoral, etc.) : ce sont des fossiles de faciès.