Par définition, un fossile est un reste ou un moulage d'un animal ou d'un végétal conservé dans un sédiment. Au sens strict du terme, on pourrait donc parler de fossile pour un objet du Moyen-Age retrouvé dans le sol. Cependant, par convention on parle de fossiles pour les vestiges datant au minimum de la fin de la dernière glaciation, les plus récents étant appelés des sous-fossiles.

La fossilisation est un processus rare qui peut se faire selon différentes formes: par minéralisation, incrustation, carbonisation, momification. Les fossiles les plus courants sont ceux ayant subi une minéralisation, les tissus vivants étant remplacés petit à petit par des minéraux. Ce processus est relativement long, il peut prendre des millions d’années.

Les fossiles ne contiennent le plus souvent que les parties rigides d’un reste animal ou végétal car elles se conservent mieux ; on a cependant des cas de tissus mous fossilisés lorsqu'ils sont recouverts rapidement par un sédiment très fin dépourvu d’oxygène de type vase ou boue, l'absence d’oxygène retardant la décomposition de la matière organique.

Concernant le temps de fossilisation des organismes, une expérience intéressante a été réalisée en laboratoire par le paléontologue David Martill qui a montré que la phosphatisation de tissus mous de truite intervient très rapidement, dans les 5 heures après la mort du poisson. De la même manière, le processus de congélation qui permet de conserver un organisme pendant plusieurs milliers d’années à l’image des mammouths trouvés dans le sol gelé de Sibérie, peut être très rapide et peut se faire en quelques heures.