通過自然作用保存在地層中的古代生物的遺體、遺物、活動遺跡以及生物體分解后殘留在地層中的有機分子。所謂古代生物，一般指全新世開始（距今約10000年）以前的生物；最近1萬年內的生物遺體或遺物，不能算是化石。按大小和保存特點的不同，化石可分為七大類，（1）實體化石：指生物的遺體被保存在巖層中所形成的化石，如琥珀中的昆蟲，波蘭斯大盧尼瀝青湖中的披毛犀化石，恐龍的骨骼化石，古植物形成的硅化木化石等。（2）鑄模化石：指生物遺體在巖層或圍巖中留下的印模和復鑄物，其中第一類叫印痕化石，即生物陷落在沉積物中留下了印痕，其遺體雖遭到破壞，但印痕卻保留下該生物的主要特征，如水母的印痕、蠕蟲的印痕、植物葉子的印痕等；第二類是印模化石，包括外模與內模兩種，外模是遺體的堅硬部分（如貝殼）的外表印在圍巖上的印痕，能反映原生物的外部形態，內模指殼體內面輪廓留下的印痕，能反映硬殼內部的形態構造。（3）遺跡化石：指古代動物活動時留下的痕跡，如恐龍的腳印化石，蠕蟲的爬跡化石等。（4）遺物化石：主要指動物的糞化石和卵化石，如鬣狗的糞化石，恐龍的卵化石等。（5）化學化石：指生物遺體分解后遺留在巖層中的化學分子，如古代藍藻的葉綠素分子分解后所遺留的卟啉和植烷（C20H42）等，其中最穩固的是一種名叫異戊二烯烴（isoprene）的分子：
化學化石需用一定的化學方法方能檢出。（6）微體化石：指需在顯微鏡下方能看見的個體微小的古生物化石或大生物體內某些微小部分的化石，如有孔蟲、放射蟲、孢子、花粉、牙形石等。（7）超微化石：指需在電鏡下方能觀察研究、大小在10微米以下的特別微小的化石，如古代的超微浮游生物化石等。