paleontologen hebben de fossiele resten van vele duizenden organismen die in het verleden leefden, teruggevonden en bestudeerd. Dit fossielenbestand toont aan dat vele soorten uitgestorven organismen zeer verschillend in vorm waren van alle nu levende. Het toont ook erfopvolgingen van organismen door de tijd (zie faunale successie, wet van; geochronologie: het bepalen van de relaties van fossielen met rotsstraten), het manifesteren van hun overgang van de ene vorm naar de andere.,
wanneer een organisme sterft, wordt het meestal vernietigd door andere levensvormen en verweringsprocessen. In zeldzame gevallen worden sommige lichaamsdelen—vooral harde, zoals schelpen, tanden of botten—bewaard door begraven te worden in de modder of op een andere manier beschermd tegen roofdieren en weer. Uiteindelijk kunnen ze versteend raken en voor onbepaalde tijd bewaard worden met de rotsen waarin ze zijn ingebed., Methoden zoals radiometrische datering—het meten van de hoeveelheden natuurlijke radioactieve atomen die in bepaalde mineralen achterblijven om de verstreken tijd te bepalen sinds ze werden gevormd—maken het mogelijk om de periode te schatten waarin de rotsen, en de fossielen die ermee verbonden zijn, werden gevormd.
radiometrische datering geeft aan dat de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden werd gevormd. De vroegste fossielen lijken op micro-organismen zoals bacteriën en cyanobacteriën( blauwalgen); de oudste van deze fossielen komen voor in stenen die 3,5 miljard jaar oud zijn (zie Precambriumtijd)., De oudste bekende dierenfossielen, ongeveer 700 miljoen jaar oud, komen uit de zogenaamde Ediacara fauna, kleine wormachtige wezens met zachte lichamen. Talrijke fossielen behorend tot vele levende phyla en tentoonstellen gemineraliseerde skeletten verschijnen in rotsen ongeveer 540 miljoen jaar oud. Deze organismen verschillen van organismen die nu leven en van organismen die op tussenliggende tijden leven. Sommige zijn zo radicaal anders dat paleontologen nieuwe phyla hebben gemaakt om ze te classificeren. (Zie Cambrium Periode.,) De eerste gewervelde dieren, dieren met rugbeenderen, verschenen ongeveer 400 miljoen jaar geleden; de eerste zoogdieren, minder dan 200 miljoen jaar geleden. De geschiedenis van het leven opgetekend door fossielen biedt overtuigend bewijs van evolutie.
het fossielenbestand is onvolledig. Van de kleine hoeveelheid organismen die als fossielen bewaard zijn gebleven, is slechts een kleine fractie teruggevonden en bestudeerd door paleontologen. In sommige gevallen is de opeenvolging van vormen in de tijd in detail gereconstrueerd. Een voorbeeld is de evolutie van het paard., Het paard kan worden herleid tot een dier ter grootte van een hond met verschillende tenen aan elke voet en tanden geschikt voor het bladeren; dit dier, genaamd de dageraad paard (genus Hyracotherium), leefde meer dan 50 miljoen jaar geleden. De meest recente vorm, het moderne paard (Equus), is veel groter in omvang, is een-toed, en heeft tanden geschikt voor het grazen. De overgangsvormen zijn goed bewaard gebleven als fossielen, net als vele andere soorten uitgestorven paarden die in verschillende richtingen evolueerden en geen levende afstammelingen achterlieten.,