化石（来自古典拉丁语fossilis，字面意思是“通过挖掘获得”）是过去地质时代任何曾经存在过的生物的任何保存完好的遗迹、印记或痕迹。示例包括骨骼、贝壳、外骨骼、动物或微生物的石印、保存在琥珀中的物体、头发、木化石、油、煤和DNA残留物。化石的总和被称为化石记录。
古生物学是对化石的研究：它们的年龄、形成方法和进化意义。超过10,年的标本通常被认为是化石。最古老的化石大约有亿年到41亿年的历史。19世纪观察到某些化石与某些岩层有关，导致人们认识到地质时间尺度和不同化石的相对年龄。放射性测年的发展20世纪初的技术使科学家能够定量测量岩石及其所含化石的绝对年龄。
导致化石化的过程很多，包括矿化作用、铸模作用、自生矿化作用、交代再结晶作用、挤压作用、碳化作用和生物免疫作用。
化石的大小不一，从一微米（1m）的细菌到恐龙和树木，长数米，重数吨。化石通常只保存已故生物体的一部分，通常是在生命过程中部分矿化的部分，例如脊椎动物的骨骼和牙齿，或无脊椎动物的几丁质或钙质外骨骼。化石也可能包含有机体活着时留下的痕迹，例如动物足迹或粪便（粪化石）。这些类型的化石被称为痕迹化石或遗迹化石，与身体化石相对。一些化石是生物化学的，被称为化学化石或生物印记。
化石化过程因组织类型和外部条件而异。
矿化
来自威斯康星州泥盆纪的全矿化苔藓虫。矿化是生物体被掩埋时发生的化石化过程。生物体内的空隙（生命中充满液体或气体的空间）变得充满了富含矿物质的地下水。矿物质从地下水中沉淀出来，占据了空旷的空间。这个过程可以发生在非常小的空间内，例如植物细胞的细胞壁内。小规模矿化可以产生非常详细的化石。为了发生矿化，生物体必须在死后不久被沉积物覆盖，否则遗体会被食腐动物或分解物破坏。遗骸在被覆盖时腐烂的程度决定了化石后来的细节。有些化石仅由骨骼残骸或牙齿组成；其他化石含有皮肤、羽毛甚至软组织的痕迹。这是成岩作用的一种形式。
铸件和模具
下石炭统洛根组双壳类动物的外模在某些情况下，有机体的原始残骸会完全溶解或以其他方式被破坏。岩石中残留的有机体状孔洞称为外模。如果这个空隙后来被沉积物填满，那么生成的模型就会类似于有机体的样子。内铸体或内部霉菌是沉积物填充生物体内部的结果，例如双壳类或蜗牛的内部或头骨的空心。Endocasts有时被称为Steinkerns，特别是当双壳类动物以这种方式保存时。
自生矿化
这是一种特殊的铸模成型形式。如果化学反应正确，生物体（或生物体碎片）可以作为菱铁矿等矿物沉淀的核，导致在其周围形成结核。如果这种情况在有机组织显着腐烂之前迅速发生，则可以保留非常精细的三维形态细节。来自美国伊利诺伊州石炭纪马松溪化石床的结核是这种矿化的最好记录例子之一。
置换和重结晶
硅化（被二氧化硅取代）化石侏罗纪的再结晶巩膜珊瑚当贝壳、骨头或其他组织被另一种矿物质替代时，就会发生替代。在某些情况下，原始贝壳的矿物替代发生得如此缓慢且规模如此之小，以至于尽管原始材料完全消失，但微观结构特征仍得以保留。当原始骨架化合物仍然存在但以不同的晶体形式存在时，如从文石到方解石，则称壳重结晶。
Adpression（压缩-印象）
压缩化石，例如蕨类植物化石，是构成有机体组织的复杂有机分子化学还原的结果。在这种情况下，化石由原始材料组成，尽管处于地球化学改变的状态。这种化学变化是成岩作用的表现。通常剩下的是碳质薄膜被称为phytoleim，在这种情况下，化石被称为压缩。然而，phytoleim通常会丢失，剩下的只是岩石中有机体的印象——印象化石。然而，在许多情况下，按压和压印是同时发生的。例如，当岩石被打开时，植物膜通常会附着在一个部分（压缩）上，而对应部分只是一个印象。出于这个原因，一个术语涵盖了两种保存方式：adpression。
软组织、细胞和分子保存
由于它们的年代久远，在化石过程中通过化学还原复杂的有机分子来改变生物体组织的一个意外例外是在恐龙化石中发现了软组织，包括血管，以及蛋白质的分离和DNA片段的证据年，MarySchweitzer和她的同事报告了从恐龙化石中回收的软组织中存在铁颗粒（针铁矿-aFeO(OH)）。基于研究血红蛋白中铁与血管组织相互作用的各种实验，他们提出溶液缺氧与铁螯合相结合增强了软组织的稳定性和保存，并为化石软组织的意外保存提供了解释基础。然而，一项稍早的研究基于从泥盆纪到侏罗纪的八个分类群，发现在所有这些化石中都保存了相当完好的可能代表胶原蛋白的原纤维，并且保存的质量主要取决于排列胶原纤维，紧密包装有利于良好保存。在那个时间段内，地质年代与保存质量之间似乎没有相关性。
碳化和煤化
碳化或煤化的化石由主要被还原为化学元素碳的有机残骸组成。碳化化石由形成原始生物体轮廓的薄膜组成，原始有机体遗骸通常是软组织。煤化化石主要由煤组成，原始有机遗骸的成分通常是木质的。
可能存在水蛭的碳化化石石松类动物的部分煤化轴生物免疫
保存在苔藓虫骨骼中的软体生物当骨骼生物体过度生长或以其他方式包含另一个生物体时，就会发生生物免疫，从而将后者或它的印记保存在骨骼中。通常它是一种无柄的骨骼生物，例如苔藓虫或牡蛎，沿着基质生长，覆盖其他无柄的硬骨生物。有时生物免疫生物体是软体的，然后作为一种外部霉菌以负浮雕形式保存。在某些情况下，生物体会定居在向上生长的活骨骼生物体的顶部，从而将定居者保留在其骨骼中。生物免疫在奥陶纪的化石记录中是已知的到最近。