化石是存留在岩石中的古生物遗体、遗物或生活痕迹，最常见的是骸骨和贝壳等。研究化石可以了解生物的演化并能帮助确定地层的年代。保存在地壳的岩石中的古动物或古植物的遗体或表明有遗体存在的证据都谓之化石。从太古宙（34亿年前）至全新世（1万年前）之间都有化石出现。
简单地说，化石就是生活在遥远的过去的生物的遗体或遗迹变成的石头。在漫长的地质年代里，地球上曾经生活过无数的生物，这些生物死亡后的遗体或是生活时遗留下来的痕迹，许多都被当时的泥沙掩埋起来。在随后的岁月中，这些生物遗体中的有机质分解殆尽，坚硬的部分如外壳、骨骼、枝叶等与包围在周围的沉积物一起经过石化变成了石头，但是它们原来的形态、结构（甚至一些细微的内部构造）依然保留着；同样，那些生物生活时留下的痕迹也可以这样保留下来。我们把这些石化了的生物遗体、遗迹就称为化石。从化石中可以看到古代动物、植物的样子，从而可以推断出古代动物、植物的生活情况和生活环境，可以推断出埋藏化石的地层形成的年代和经历的变化，可以看到生物从古到今的变化等等。
其实有很长一段时间，化石作用被认定是单纯的“石化”，后来人类才逐渐了解化石形成的原理。这是一种非常复杂的过程，是生物、物理、化学三种现象的结合。而化石的形成，需要一些特殊条件：第一，死去的有机体被迅速埋在沙土、淤泥或河泥中而没有分解。海底和湖底是非常有利的环境，草原和沙漠也不错。其次，此生物不曾腐坏，而由矿物逐渐取代该生物体的有机物质。最后，化石若要保存几百万年不变，必须在石化后，不再经历任何地质变动。
化石（Fossil）来源于拉丁文fossilis，意思是“挖掘”。
化石化作用（fossilized）是指随着沉积物变成岩石的成岩作用，埋藏在沉积物中的生物遗体而经历了物理作用和化学作用的改造，但是仍然保留着生物面貌及部分生物结构的作用。
化石化作用有三种方式：矿物质填充作用、交替作用和升馏作用。
矿物质填充作用是指，某些无脊椎动物贝壳或脊椎动物骸骨中的有机物分解消失以后留下了中空的部分，在地层下被埋藏日久以后，溶解在地下水中的矿物质（主要是碳酸钙）往往在其孔隙中经再结晶作用变成了较为致密、坚实、并且增加了重量的实体化石。
交替作用是指，生物硬体的组成物质在埋藏情况下被逐渐溶解，再由外来矿物质逐渐补充替代的过程。在这个过程中，如果溶解和交替速度相等，而且以分子相交换，就可以保存原来的细征结构。如硅化木。常见的交替物质有二氧化硅、玛瑙、方解石、碳酸钙、蛋白石、白云石、黄铁矿、氧化铁...等，相应的过程就可以叫做硅化、玛瑙化、方解石化、炭酸钙化、蛋白石化、白云石化和黄铁矿化、氧化铁化。
升馏作用是指古生物遗体在被埋藏之后，不稳定成分分解、可挥发物质往往首先挥发消失，最后只留下碳质薄膜而保存下来的过程。这个过程也称为“炭化”。
地层中的化石按其保存特点可分为实体化石、模铸化石、遗迹化石和化学化石4大类。
实体化石是由古生物遗体本身的全部或部分（特别是硬体部分）保存下来而形成的化石。
在能够避开空气氧化作用和细菌腐蚀作用的特别适宜的情况下，有些生物的遗体能够比较完好地保存而没有显著的变化。如西伯利亚冻土中发现的第四纪猛犸象、波兰发现的迄今所知的最完整的脊椎动物化石——1万年前落入沥青湖的披毛犀、以及树脂化石（参见琥珀）。
不过，这种没有经过显著化石化作用或只是有一些轻微变化的生物遗体是很少被发现的。绝大多数的生物化石仅仅保留的是其硬体部分，而且都经历了不同程度的化石化作用。
模铸化石是古生物遗体留在岩层或围岩中的印痕和复铸物。根据与围岩的关系被分为5种类型：印痕化石、印模化石、模核化石、铸型化石和复合模化石。
遗迹化石是指保留在岩层中的古生物生活时的活动痕迹及其遗物。
古生物的遗物又可以称为遗物化石。
常见的遗迹化石有以下几种：
遗物化石主要有动物的排泄物（粪化石）或卵（蛋化石）。古人类在各个发展时期制造和使用的工具及其它各种文化遗物也都属于遗物化石。
化学化石是指在某种特定的条件下，古生物遗体没有保存下来，但组成生物的有机成分分解后形成的氨基酸、脂肪酸等有机物却仍然保留在岩层里。
示相化石（facies fossil），又称指相化石（Index fossils），是能够反映生物生活环境特征的化石。不同的自然地理环境，生活着不同的生物组合，也沉积着不同的沉积物，形成不同的沉积相，如海相、陆相、㵼湖相等。不同沉积相所含的化石组合也不相同，而生物对其生活环境变化的反映远较沉积物明显，是自然地理环境最好的指示者。如现代的珊瑚、腕足类、棘皮动物等都是只生活在海洋中的生物，如果在地层中找到这类化石，也就可以推断含有这些化石的地层是在海洋中形成的海相地层。
活化石是指一些与化石物种十分相近的现存物种，或是一些只从化石中了解到的生物被发现尚存在（最著名的例子是美洲鲎Limulus polyphemus）。
舌形贝、鲎（又称“马蹄蟹”）、水杉、银杏等都是活化石。