人们在偶然的机会中，常常会在地下或悬崖峭壁里发现一些奇怪的物体。这些物体有的像动物，有的像植物，它们不仅石质化了，而且看来似乎是海洋里的东西，现在却在高山的石头中出现了。这就是化石。
人们对化石的认识，历史悠久，记载也很多。例如：北魏郦道元所著《水经注》，说湘乡县石鱼山“石色黑而埋若云母，开发一重，辄有鱼形，鳞鳍首尾，宛如刻画，长数寸，鱼形备足”。这是对一种鱼化石的记述。唐朝书法家颜真卿在771年写的《抚州南城县麻姑山仙坛记》中，提到“坛东北有石崇观，高石中犹有螺蚌壳，或以为桑田所变”，意思是说高山上的贝壳化石一度是海洋生物，其后经历了沧海桑田的变化。据说，意大利达·芬奇是欧洲第一个说明化石成因的人，晚我国近千年。这些人是历史上辨认化石最早的代表，然而他们只是感到惊奇，才引起注意，并做出简单的臆想和推断的。彻底揭示化石本来面目，对化石真相进行认真研究，还是近二百年来的事。它是随着古生物学发展而产生的。
“化石”这个词原来字面的意思是指“挖出来的东西”，而现在指的是石化了的生物（包括动物或植物）的遗留部分。古代的生物被掩埋在沉积物中，这些沉积物可以堆积在陆地上，也可以堆积在江、湖、河、海的水底，还可以堆积在沼泽地。生物体中的软组织部分（皮肤、肌肉、内脏等）很快就腐烂了，但是坚硬的部分（如骨骼、牙齿、外壳等）被遗留下来，经过了几万年、几十万年、几百万年甚至更长的时间，含有矿物质的地下水侵入了它们，矿物质就逐渐代替了它们的有机组织，也就是说逐渐形成了化石，化石仍然保持了原来有机组织的形状和大小。由于不同时期的化石存在于不同的地质层中，科学家就可以据此分析生物进化的过程，也可以通过对化石的分析，用比较解剖学的原理，从不完整的骨骼化石推测出整个动物的大小、形状乃至于它们的习性。
形成化石，并且能够很好地保存下来，是要一定条件的。就生物本身而言，最好具有骨质的硬体，只有硬体才容易形成化石。肌肉等软体，只有在特定的条件下才能保存为化石。从外界环境来说，最好有掩盖物质把遗体迅速埋藏起来，以免生物、机械和化学的破坏。一般来说，掩盖物质细腻，沉积环境平静，又没有其他破坏因素，容易形成精美的化石。现在，在我国山东临朐的硅藻土里，德国索伦霍芬的石灰岩里，还有世界上其他许多地方，都发现大量罕见的完整化石，原因就是那些地方有着形成化石的良好条件。
为了研究和使用方便，通常把化石归纳为三类：最常见的是实体化石，代表生物的遗体或其中的一部分；第二类是遗迹化石，它是指古代生物生活时所留下的活动痕迹，如高等动物留下的脚印，低等动物移动时的痕迹，某些动物栖身的孔道和洞穴，以及动物的粪便、蛋、珍珠、胃石等等，甚至还包括古人类使用过的石器和骨器；第三类，即化学化石，也就是说古代生物的遗体有一些因腐烂而消失，但是仍然有残留着的有机物分子，被保存在化石中或掺入沉积岩中，所以有的人也称这类化石为分子化石。应该指出，在地球历史的早期，实体化石极其稀少的情况下，化学化石为追溯生命起源，了解生物在分子进化阶段的过程起了相当大的作用。
如果我们从化石的保存特点着眼，那么化石的分类则是另外三种方式了。第一种为未经过变化保存的化石，它们大体上是生物遗体的原来状态。例如，十几万年前在北极地区生活过的猛犸象，现在从冻土里发掘出来的标本，就好像是刚从大冰箱中取出来似的，不仅筋骨相互连接，就是血肉还是鲜红的，甚至可以食用。又如我国辽宁抚顺煤田的琥珀，虽然已埋藏达4000多万年之久，但被包裹在松脂里的蚂蚁，仍然同活着的差不多。不过，这种未经过变化保存的化石是不多的。
第二种为经过变化保存的化石。大多数古代生物遗体都是经过变化才形成化石的。当动植物死亡后，肌肉等软体烂掉了，但是骨骼、介壳和木质部等硬体被泥沙掩盖起来，然后由溶解在水中的矿物质填充了硬体的微孔，久而久之，就变成石头了。这样形成化石的过程，称为“化石化作用”。脊椎动物的骨头，软体动物的贝壳，以及许多植物化石都是这样形成的。
第三种为模铸化石。是指古代生物遗体留在周围岩石上的印模，以及遗体溶蚀后留下空隙的充填物。模铸化石常见于上面说过的实体化石的围岩和充填物中。多数遗迹化石（如脚印、孔穴等）都可以模铸的方式保存下来。
总而言之，化石的种类很多，保存的方式也各不相同，它们现在都成了我们了解远古时代生命的钥匙。