Fossielen zijn restanten van organismen of sporen van de activiteit van organismen, die in vroegere geologische tijdperken geleefd hebben. Ze hebben een bepaalde vorm en soms een bepaalde structuur behouden en geven concrete informatie over het oorspronkelijke dier of de oorspronkelijke plant. Het fossiliseren of verstenen is de overgang van een organisme in een fossiel, dat wil zeggen, het geheel van processen dat de levende materie omzet in een gemineraliseerd overblijfsel.
De weke delen van planten en dieren zijn na de dood onderworpen aan een snel ontledingsproces (ontbinding, fermentatie). De harde delen, schalen of skeletten, verdwijnen gewoonlijk na verloop van tijd. Of het organisme als fossiel bewaard blijft, hangt af van de omstandigheden. Een eerste voorwaarde is dat het snel bedekt moet worden door afzettingen.
De natuurkundige en chemische eigenschappen van de omgeving (met inbegrip van de sedimenten) zijn andere belangrijke factoren, naast de aard van het organisme zelf en de omstandigheden waaraan de afzettingen die fossielen bevatten vervolgens blootgesteld zijn geweest. Wordt het organisme snel afgedekt door sedimenten, dan blijft de mechanische vernietiging beperkt. Doordat er weinig of geen lucht meer bij kan komen, wordt het verteringsproces geremd of zelfs gestopt. Deze voorwaarde wordt vaak vervuld voor de talloze organismen die in de afzettingen leven. Ongunstige natuurkundige eigenschappen van de omgeving en de sedimenten, zoals de werking van golven en steentjes die voortdurend over elkaar heen rollen, hebben een snelle vernietiging tot gevolg, zelfs van zeer harde schelpen.
De chemische samenstelling van het milieu speelt een niet minder belangrijke rol. In het zure milieu van het veen bijvoorbeeld, lossen alle kalkresten snel op. In de oceanen neemt de oplosbaarheid van calciumcarbonaat zozeer toe, dat op meer dan 5000 meter diepte alle kalkhoudende schalen en schelpen heel gauw verdwijnen. Op land levende organismen fossiliseren minder vaak dan in water levende organismen. Deze vorm van fossiliseren kan optreden, wanneer organismen bedolven zijn door een laag as, zand of aarde ten gevolge van een vulkaanuitbarsting of een aardverschuiving. Veel organismen zijn bewaard gebleven in kalk- of kiezelafzettingen, die zich in het water gevormd hebben. Meestal zijn het de geraamten en de harde schelpen die overblijven. De rest is in de afzettingen opgegaan en verkalkt of versteend. Het geheel van processen die inwerken op een afzettingslaag, met inbegrip van de resten van organismen die erin opgenomen zijn en die deze geleidelijk veranderen in een samenhangend gesteente (van zand in zandsteen bijvoorbeeld), vormt het fenomeen van diagenese.
In de diepte gaat het vooral om natuurkundige en chemische processen, terwijl er aan de oppervlakte biochemische processen bijkomen, die op gang gebracht worden door levende wezens. Door het vergaan van de organische stoffen is het skelet of de schaal poreus geworden en is er vanuit het gesteente water met daarin opgeloste mineralen in doorgedrongen. Vaak treedt er in de schaal of schelp rekristallisatie op, waarbij de oorspronkelijk weinig stabiele vorm overgaat in een minder vergankelijke vorm (zo kunnen aragoniet-kristallen, die voorkomen in de schaal van levende weekdieren, in de fossiele schelp vervangen zijn door kristallen van kalkspaat, een stabiele vorm van calciumcarbonaat). Soms is de schaal helemaal opgelost en is alleen de gemineraliseerde mal van het inwendige overgebleven (inwendige mal of afgietsel). In andere gevallen lost de schaal op in een gesteente dat al hard geworden was en wordt de aldus ontstane ruimte opgevuld door nieuwe kristallen die anders gerangschikt zijn, maar de vorm van de buiten- en binnenkant van de schelp intact laten. In nog weer andere gevallen is het oorspronkelijke materiaal van de schaal molecuul voor molecuul vervangen door een andere minerale stof, waardoor de vorm tot in de kleinste details bewaard blijft. Zo kan aragoniet of calciet vervangen worden door silicium. Op gepolijste doorsneden van verkiezelde stammen zijn alle details van de cellen van het oorspronkelijke hout te zien.
In uitzonderlijke omstandigheden ten slotte, kunnen zelfs de weke delen bewaard blijven: mummificatie in woestijnen of grotten waar voortdurend lucht door stroomt, conservering in hars of ijs. De restanten van organismen die fossiliseren, gaan meestal over in calciumcarbonaat of kiezel. Bij gewervelde dieren wordt het skelet vaak omgezet in calciumfosfaat. Verstening tot pyriet, limoniet of hematiet komt ook wel voor. Planten en pantsers van chitine zijn tijdens het fossiliseren vaak verkoold, want van de lucht afgesloten cellulose valt uiteen in koolstof, koolzuurgas en methaan, waarvan de laatste twee ontsnappen en de eerste (C) overblijft. Van heel wat dieren heeft men alleen biogliefen ('levenstekens') gevonden, sporen van hun verblijf op aarde: pootafdrukken, gangetjes, holen, uitwerpselen.
Van alle levende wezens die na elkaar de aarde bevolkt hebben, sinds ruim 500 miljoen jaar, is slechts een klein aantal bewaard gebleven. Die levende wezens, waarvan de stoffelijke resten niet onmiddellijk vernietigd werden en al vrij snel bedolven raakten onder een afzettingslaag, waarbinnen ze beschermd bleven tegen invloeden van buitenaf, konden met deze afzetting mee diep in de aardkorst terechtkomen, tot op verscheidene kilometers onder het oppervlak. Daar ondergaan ze de metamorfose: een geheel van veranderingen die voornamelijkte wijten zijn aan de sterke druk en de zeer hoge temperaturen die er heersen. Zelfs de oorspronkelijke gesteenten worden onherkenbaar, laat staan de restanten van de organismen daarin. Omdat er van alle wezens die ooit bestaan hebben maar een fractie bewaard is gebleven, beschouwt men elk fossiel als een uniek document over het leven in lang vervlogen tijden.