化石是那些失去的生命及其在地球上度过的38亿年历史的最直接证据。但化石仅仅记录了这些生命中很小的一部分的存在、行动和行为——主要是那些具有诸如外壳、骨骼之类的易于长期留存的坚硬部位的生物。化石对过去的生命具有很重要的代表性。它能真实可靠的还原过往的生命形态，包括当今动植物的“族谱”，为了评判化石的各种不足之处，理解化石的形成过程十分必要的。
大部分化石都是外壳、骨骼、牙齿、花和植物的炭化部分，这些是动植物身体最坚硬，最易留存的部分。最长形成化石的是海洋生物（如蛤蜊、蜗牛、珊瑚、腕足动物、棘皮动物、三叶虫、蟹类），而其中大多住在或曾住在浅海区域。原始生物种类非常充沛，其遗骸也经常掩埋于沉积物中，很容易复原。
脊椎动物的留存
长有脊柱的动物到骨骼部分，尤其是牙齿、脊柱和骨架碎片都有相当的强度，能够保存完好，前提条件是它们要迅速埋入沉积物中。骨骼是一种石灰质矿物（碳酸钙）的混合物，由一种能被细菌、真菌和氧化作用分解的有机“水泥”集合而成。因而留在地表或海底的骨骼有机部分会在几个月或几年内腐烂殆尽。脊椎动物体内的组织会引来食腐动物，而且不管怎样，大多数诸如皮肉、器官之类的软组织本身也会在动物死后几个小时内开始腐烂。因此，陆生脊椎动物诸如恐龙和人类的化石相对比较稀少。
干燥作用
干燥作用，尤其是在沙漠环境下，能够保存皮肤，毛发甚至肌肉的组织。某些陆生脊椎动物的化石便通过这样的干燥方式保存下来。而恐龙的皮肤化石标本则十分稀有。在蒙古白垩纪晚期砂岩中出土过一些遭沙尘暴掩埋的完整恐龙骨架。
琥珀
琥珀是自然界中最广为人知的保存来媒介之一。它是一种复杂的芳香树脂。产自波罗的海地区的南洋杉松树树脂能抑制真菌的生长，从而防止混于其中的生物的遗骸腐烂。作为一种化石树脂，其在新生代的沉积物中最为常见，波罗的海琥珀（距今3000万～4000万年），但更古老的白垩纪琥珀（距今1.2亿年）则出现在美国东北部、西伯利亚、黎巴嫩以及英国的怀特岛，我们国家辽宁也有产出。
留存于琥珀中
从伞菌到鸟类和昆虫的寄生虫，在琥珀中可以找到大量的生物。由于琥珀作为一种有机矿物，长期留存在岩石记录中，困在琥珀里意味着成为真正意义上的化石。尽管大多数琥珀化石是无脊椎生物，以昆虫居多，人们还发现了部分小型脊椎动物，如树蛙和蜥蜴。
冰冻
处于永冻条件下的冰冻可以将血液和身体器官留存数万年之久。冰川期的猛犸象以及很多其他动物，如披毛犀、马、狼獾、西伯利亚和阿拉斯加的野牛，甚至会有人类（如迪罗尔地区的冰人），其完整遗体皆通过此法得以留存。尽管由于涌动状态不会无限期的持续，化石无法永久成型，它们还是为冰川时期的状况提供了弥足珍贵的信息来源。最了不起的当属1977年，完整幼年雄性猛犸象“迪马”的发现，它生活在约4万年前。
虫和泥
细菌是有机物自然循环的基础。如今它们声势浩大，在地球各个角落几乎都有它们的身影，下至大洋深处，远至陆上温泉，甚至连极地冰层也有它们的足迹。大多数细菌将有机物的复杂化学成分降解、分解成结构更简单的液体、气体。然而在某些情况下，尤其当氧气不足时，细菌的作用能通过引发化学反应，促进软组织成为化石。
厌氧保存
细菌作用助化石成形一臂之力的情况一般发生在湖底或海底的细密土壤里。生成了诸如磷酸钙和黄铁的矿物，覆盖、复制了组织每一个细致入微的细节，无论是肌肉纤维、皮肤，羽毛、肠甚至连脆弱的鳃组织也不放过。寒武纪早期的布尔吉斯页岩位于加拿大，是此法留存化石的著名产地。腿和腮保存完好的节肢动物、软体寄生虫、脊椎动物均在此处出现。脊椎动物的祖先“皮卡虫”就发现于吉尔吉斯页岩中。
海洋环境
海岸环境中有着各种各样的生物，在这里常见海洋无脊椎动物的化石非常充沛。古生代海洋的岩石里，经常见到腕足动物、三叶虫的残躯、海百合、苔藓虫，有时会有腹足类、双壳类、头足动物（鹦鹉螺目软体动物）。中生代砂岩中存在双壳类、腹足类、头足动物、海百合、腕足动物。新生代砂岩中则存在许多不同种类的腹足类、双壳类，棘皮动物（海星，海胆）残躯、蟹类。
化石燃料
在形成化石的过程中，植物残骸大多碳化了。随着地壳内部压强和温度的攀升，它们逐渐变化，从最初的泥炭，经过褐煤，最终变为煤炭。在此过程中同时也会释放出气体，在特定的地质学条件下可能会聚集下来，尽管在整个19和20世纪经历了高密度开采，燃煤和燃气至今仍是地球化石燃料的主要储备。
植物矿化
部分木本植物的组织可能会因岩化（变为坚硬的岩石）衍生出多种样子，并被各种矿物所替代，诸如碳酸钙、黄铁、蛋白石或燧石。令人惊奇的是，这些矿化方式可以保存数百万年前就灭绝的植物细胞结构相当详尽的信息。
掩埋
想要形成化石，可留存的生物残骸必须掩埋在沉积物中。大多海洋中的化石形成都发生在大陆边缘附近浅海大陆架的沉积物中。陆地易遭受风化和侵蚀，因此化石及沉积物的保存取决于在何种环境沉积，是在内海，还是湖泊盆地，是在崛起山脉的两翼，还是如裂谷一般满是断层的盆状洼地。这些环境称为岩性圈闭，其累积的沉积物是如此之多，以至于即使后来地壳隆起发生侵蚀，某些埋有化石的地层仍完好如初。
化石是不能人工制造的，化石是形成至少经过一万年以上时间才能形成。人工制造出的化石可能在形态上与真正的化石相似，但不能算真正的化石。
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