a paleontológusok több ezer, a múltban élő szervezet fosszilis maradványait fedezték fel és tanulmányozták. Ez a fosszilis rekord azt mutatja,hogy sokféle kihalt organizmus nagyon különböző formában volt, mint bármely most élő. Azt is mutatja, öröklődés organizmusok idővel (lásd faunális öröklés, törvény; geochronology: meghatározó kapcsolatok fosszíliák kőzetrétegek), megnyilvánuló átmenet egyik formából a másikba.,
amikor egy szervezet meghal, általában más életformák és időjárási folyamatok pusztítják el. Ritka esetekben egyes testrészeket—különösen a keményeket, például kagylókat, fogakat vagy csontokat-úgy őrzik meg, hogy sárba temetik őket, vagy más módon védik őket a ragadozóktól és az időjárástól. Végül megkövesedhetnek, és végtelenségig megmaradhatnak a kőzetekkel, melyekbe beágyazódtak., Az olyan módszerek, mint a radiometrikus randevúk-a természetes radioaktív atomok mennyiségének mérése, amelyek bizonyos ásványi anyagokban maradnak, hogy meghatározzák az összetételük óta eltelt időt—lehetővé teszik a sziklák időtartamának becslését, és a hozzájuk kapcsolódó fosszíliák, alakultak ki.
a radiometrikus randevú azt jelzi, hogy a Föld körülbelül 4, 5 milliárd évvel ezelőtt alakult ki. A legkorábbi fosszíliák olyan mikroorganizmusokra hasonlítanak, mint a baktériumok és a cianobaktériumok (kék-zöld algák); ezek közül a legrégebbi fosszíliák 3, 5 milliárd éves kőzetekben jelennek meg (lásd a prekambriumi időt)., A legrégebbi ismert állati fosszíliák, körülbelül 700 millió évesek, az úgynevezett Ediacara állatvilágból származnak, kis féregszerű lények puha testtel. Számos, sok élő phyla-hoz tartozó kövület, amely mineralizált csontvázakat mutat be, körülbelül 540 millió éves kőzetekben jelenik meg. Ezek az organizmusok különböznek a most élő szervezetektől és a közbenső időkben élőktől. Egyesek annyira radikálisan különböznek egymástól, hogy a paleontológusok új phyla-t hoztak létre azok osztályozása érdekében. (Lásd Kambriumi Időszak.,) Az első gerincesek, a gerinces állatok körülbelül 400 millió évvel ezelőtt jelentek meg; az első emlősök, kevesebb, mint 200 millió évvel ezelőtt. A kövületek által rögzített élet története meggyőző bizonyítékot mutat az evolúcióra.
a fosszilis rekord hiányos. A fosszíliákként megőrzött élőlények kis hányada közül csak egy apró töredékét találták meg és tanulmányozták a paleontológusok. Egyes esetekben a formák egymást követő időszakát részletesen rekonstruálták. Az egyik példa a ló fejlődése., A ló nyomon követhető egy kutya méretű állatra, amelynek mindkét lábán több lábujj van, és a böngészéshez megfelelő fogak; ez az állat, a dawn horse (Hyracotherium nemzetség), több mint 50 millió évvel ezelőtt élt. A legújabb forma, a modern ló (Equus), sokkal nagyobb méretű, egylábú, fogakkal rendelkezik, amelyek alkalmasak a legeltetésre. Az átmeneti formák jól megőrzött fosszíliák, mint sok más fajta kihalt lovak, hogy kialakult a különböző irányokba, és nem hagyott élő leszármazottai.,
visszanyert fosszíliák felhasználásával a paleontológusok rekonstruálták a radikális evolúciós átmeneteket formában és funkcióban. Például a hüllők alsó állkapcsa több csontot tartalmaz,de az emlősöké csak egy. A hüllő állkapcsának többi csontja egyértelműen az emlős fülében található csontokká fejlődött. Először egy ilyen átmenet valószínűtlennek tűnik—nehéz elképzelni, hogy az ilyen csontok milyen funkcióval rendelkezhetnek a közbenső szakaszaik során., Még paleontológusok felfedezett két átmeneti formák emlős -, mint a hüllők, az úgynevezett therapsids, hogy volt egy kettős állkapocs ízületi (azaz a két zsanér pontok egymás mellett)—egy együttes, amely a csontok továbbra is az emlős állkapocs, a másik áll a quadrate, valamint ízületi csontok, ami végül lett a kalapács, üllő, valamint a emlős fül. (Lásd még emlős: csontváz.)
Darwin szkeptikus kortársai számára a”hiányzó láncszem” —a majmok és az emberek közötti ismert átmeneti forma hiánya—csatakiáltás volt, mivel utána a tájékozatlan emberek számára maradt., Az élő majmok és az emberek között azóta nem egy, hanem sok élőlény került elő kövületként. A legrégebbi ismert fosszilis hominins—azaz a főemlősök tartozó, az emberi leszármazás után elválasztva vonalak segítségével, hogy a majmok—6 millió 7 millió éves, Afrikából származik, de ismert Sahelanthropus, valamint Orrorin (vagy Praeanthropus), amely túlnyomórészt kétlábú, amikor a földön, de nagyon kicsi az agyuk. Ardipithecus körülbelül 4, 4 millió évvel ezelőtt élt, Afrikában is., Számos különböző afrikai eredetű fosszilis maradvány ismert az Australopithecusról, egy homininról, amely 3 millió-4 millió évvel ezelőtt jelent meg. Az australopithecusnak Egyenes Emberi állása volt, de koponyakapacitása kevesebb, mint 500 cc (ami körülbelül 500 gramm agyi súlynak felel meg), hasonló a gorilla vagy a csimpánzéhoz, és körülbelül egyharmada az emberéhez. Feje a majmok és az emberi tulajdonságok keveréke volt—alacsony homlok és hosszú, apellis Arc, de fogai arányosak voltak, mint az embereké., Más korai homininek, amelyek részben az Australopithecushoz tartoznak, a Kenyanthropus és a Paranthropus; mindkettőnek viszonylag kicsi agya volt, bár egyes Paranthropus fajoknak nagyobb testük volt. A Paranthropus a hominin vonal egyik mellékágát képviseli, amely kihalt. Együtt fokozott agyi kapacitás, más emberi jellemzők találtak a Homo habilis, ami élt, mintegy 1,5 millió 2 millió éve Afrikában volt egy agyi kapacitása több mint 600 cc (agy súlya 600 gramm), valamint a H. erectus, amely élt között 0,5 millió, illetve 1-nél több.,5 millió évvel ezelőtt, látszólag széles körben elterjedt Afrikában, Ázsiában és Európában, és volt egy koponya kapacitása 800-1100 cc (agy súlya 800-1100 gramm). A H. ergaster, a H. antecessor és a H. heidelbergensis agyméretei nagyjából a H. erectus agyának méretei voltak, amelyek közül néhány faj részben kortárs volt, bár a keleti félteke különböző régióiban éltek. (Lásd még: emberi evolúció.,)