Fosiller çeşitli yollarla doğal olarak, bazen milyonlarca yıl korunmuş hayvan ve bitki izleridir.
Milyonlarca yıl önce bir iktiosor (ichthyosaur) ölmüş ve deniz dibine düşmüştür. Zamanla iskeleti çamurla örtülmüş ve bu da yavaş yavaş katı kaya tabakaları haline gelmiştir. İçeride kalan iskelet yavaş yavaş fosilleşmiştir. Çok daha sonraki bir tarihte dünyanın hareketleri deniz altındaki tabakaların kıvrılmasına sebep olmuş ve bunun sonucu olarak yükselip kuru bir hava parçası haline gelmiştir. Buz, su ve rüzgarın aşındırma etkisi yavaş yavaş kayanın üst kısımlarını alıp götürdüğünden fosilleşmiş iskelet meydana çıkmıştır.
Bir hayvan ölünce vücudu çürür veya başka hayvanlar tarafından yenir. Fakat, kabuk veya kemikler ve dişler gibi sert kısımlar kalayca çürüyüp yok olmazlar. Bunların bozulmadan kalabilmeleri için önemli olan şart kısa bir zamanda yani kemikler toz haline gelmeden gömülü hale gelmeleri ve bundan başka içinde bulundukları kayanın metamorfizmaya (ısı ve basınç altında değişime) uğramamasıdır. Bunların saklanıp kalabilmeleri için en iyi şart denizlerde, özellikle sahile yakın olan kısımlarda bulunur. Hemen hemen bütün fosillerin tortul (sedimanner) kayaçları içinde bulunmasının nedeni budur. Karada yaşayan hayvanların fosilleri de bu gibi kayaçların içinde bulunmuştur. Bunların sellerle sürüklenmiş olması mümkündür.
Fosiller çok çeşitli şekiller alırlar. Bir çok hallerde iskelet olduğu gibi kalmış olabilir. Hayvanların bataklık veya katran birikintisi içinde saplanıp kalmaları halinde bunun doğru olduğu görülmüştür. Örneğin Kaliforniya’daki katran ocaklarında zengin iskelet kalıntıları bulunmuştur.
Mamutlar (bugünkü filler bunlardan gelmişlerdir) Alaska’da ve Sibirya’da buz içinde oldukları gibi kalmışlardır. Bununla beraber çoğu zaman gömülmüş olan iskeletler taşlaşırlar yani yerlerini taş alır. Bu yeraltı sularının içindeki mineral maddelerinin kemiklerin boşluklarını doldurması ile olur. Buna permineralizasyon denir. Diğer taraftan cismin her parçası yenerek yerleri mineral maddeleri tarafından doldurulur. Taşlaşmış kemikler birinci işlemle taşlaşmış ağaç parçaları ise ikinci işlemle meydana gelmişlerdir.
Bazı gömülü cisimlerin tamamı yeraltı suları tarafından eritilmiş olabilir ve böylece kayaç içinde cismin orijinal şeklinde bir boşluk meydana gelir. Buna kalıp denir. Yeraltı suları sonradan bu boşluğu mineral maddeleri ile doldurarak esas cismin kayaçtan bir dökümünü yapmış olabilirler. Çam ağaçlarından damlayan çam sakızı içinde yakalanıp kalan böceklerin ilginç kalıpları oluşmuştur. Bu yavaş yavaş kehlibar haline gelir ve böceğin büyük bir kısmının kuruyup kaybolmasına karşılık saydam olan bu madde içindeki boşlukta orjinal şekil görülebilir. Yapraklar gibi çok ince cisimlerin kalıplarına iz denir.
Bir çok bitki fosilleri sadece orijinal cismin şeklini almış olan karbon kalıntılarından başka birşey değildir. Yumuşak vücutlu omurgasız hayvanların fosilleri de bazı hallerde böyle meydana gelir. Bazen taşlaşmış bir hayvan iskeletinin etrafında yarattığı orijinal şeklini gösteren ince bir karbon filmi görülür.
Hayvanların çamurdaki izlerinin sonradan sertleşerek taş haline gelmesi şeklinde de fosiller vardır. Örneğin Gobi çölündeki eski bir akarsuyun kenarında ve başka yerlerde çok iyi dinazor ayak izleri görülmüştür.