化石是大自然的产物，是生活在至少一万年前的史前生物的遗体或遗迹。最初，化石一词泛指从地下挖出来的各种各样的东西。16世纪到18世纪间，大多数西方博物学家面对那些酷似生物的化石，由于受到神创论的束缚，未能理解它们的有机性质。他们有的认为，化石只是由一种塑形力在地层中所缔造的生物形象，而不曾是活的生物；有的则索性说，化石是上帝埋在岩石中的小玩意儿，留给发现者去玩耍的。
只有达·芬奇与斯坦诺最早认识到：化石是曾经在地球上生活过的远古动植物的遗体或遗迹。
相形之下，亲炙大自然的中国古代文人，具有朴素的唯物主义精神，反倒较早地认识到了化石的真实性质。
比如，唐朝的大书法家颜真卿任江西抚州刺史时，曾在《抚州南城县麻姑山仙坛记》一文中记到：“南城县有麻姑山……东北有石崇观，高石中犹有螺蚌壳，或以为桑田所变……”他能将“高石中”的螺蚌壳化石与沧海桑田的海陆变迁联系起来，委实很有见地。中唐诗人韦应物有一首咏琥珀的五言诗：“曾为老茯神，本是寒松液。蚊蚋落其中，千年犹可觌。
”诗中对琥珀的成因以及昆虫如何一失足铸成千年犹存的化石，有如此形象的描述，实在令今天的古生物学家们惊叹不已。
达·芬奇曾将贝类化石和现代贝类进行比较，得出化石是过去生物的遗体的正确结论。而李约瑟在《中国古代科学技术史》中指出，朱熹与沈括从高山上发现的螺蚌壳化石推想到沧海变桑田的过程，这比达·芬奇的见解早好几百年呢。那么，化石一般是怎样形成的呢？
远古动物死后，其肌肉与内脏等软组织很快会被食腐肉的动物吃掉或自行腐烂，只有牙齿和骨骼等坚硬部分可以保存较长时间。倘若牙齿和骨骼遭雨水冲刷流至附近的水体中，被泥沙掩埋，它们被保存下来，成为化石的概率就会变大。水中的矿物质会逐渐渗入并沉淀在牙齿与骨骼中的有机质腐烂后留下的空间里。
由于这些矿物质替代其中的有机质的速度极为缓慢，因此牙齿和骨骼原本的形态通常能得到完好无损的保存，只是原有的有机质变成了矿物质，即“石头”。这一过程也被称作“石化过程”。植物化石的形成也大同小异。
总结而言，化石形成与保存的主要有利条件包括：1. 生物体迅速被泥沙掩埋并长期维持这一状态；2. 生物体内有化学性质较稳定的物质组成的硬体（如动物贝壳、骨骼及植物木质层结构等）；3. 水体中含钙质、硅质或其他矿物质，矿物分子会缓慢取代生物硬体中的有机质分子；4. 在石化、成岩过程中，没有受到强烈的地壳运动带来的高温高压的影响与破坏。
根据形成化石的条件的不同，保存在岩层中的化石可以分为四种类型：实体化石、模铸化石、遗迹化石和化学化石。实体化石指生物遗体的全部或一部分保存成了化石，当然绝大多数只保存了贝壳、牙齿、骨骼等硬体部分。模铸化石指生物体在岩层中留下了印痕，其后它所遗留的印痕空腔中沉积了填充物，虽不是生物遗体本身被矿物质所取代，却保存了生物原来的形态。
遗迹化石是古代生物在生活活动中留下的痕迹被保存下来，成为化石，比如恐龙足迹化石以及虫管化石等遗迹化石能够帮助古生物学家们了解动物生前的一些行为。遗迹化石还包括胃石、蛋化石以及粪便化石等。有些蛋化石（如恐龙蛋、翼龙蛋）中甚至还保存着动物的胚胎，通过对这些胚胎中的完整骨骼进行研究，古生物学家们便能够鉴定出这些蛋是什么动物产的，从而确定它们的繁殖方式。
对于粪便化石，尽管古生物学家们很难准确鉴定出原本的粪便属于哪一种动物的排泄物，但有些肉食动物的粪便中还保存了未消化完的骨骼残渣，对这些骨骼残渣进行分析，有助于推断出该肉食动物的所属类群。另外，通过分析粪便化石的成分，也可了解该动物生前的食性。化学化石是指在岩石中发现的诸如氨基酸、核苷酸、脂肪酸和蛋白质等多种生物化学物质。
虽然它们未必能与特定的生物类群挂上钩，却能表明某种生物曾经存在，这对探索地球上早期生命的存在问题，很有启迪。类似的还有煤、石油以及天然气，它们由死去的有机物和植物在地下分解而形成，故被人们称作“化石燃料”，它们的化学成分也能显示其生物成因。
尽管大部分化石所保存的只是生物硬体的一小部分，但是在一些特殊的保存条件下，化石会以意想不到的方式得以完整保存。
除了上述的琥珀化石，让我们来看看另几个有趣的例子吧。我们知道，猛犸象曾生活在寒冷的冰河时代。1901年，俄国科学家曾在西伯利亚第四系冻土层里发现了一些猛犸象化石，它们不仅骨骼完整，连皮毛血肉，甚至胃中的食物也保存了下来。这是由于大约25000年前在该地生活的猛犸象死亡之后，被迅速地埋藏在冻土中，西伯利亚至今还是冰天雪地，它们就像被冷冻在天然大冰柜中一样。
由此可见，化石并不一定是石头，其主要的决定因素是它生存的久远时代。另外，在焦油坑（或沥青湖）、沼泽地、流沙层和火山灰中也常常能发现完整的生物化石。最著名的是美国洛杉矶附近的沥青湖（Rancho La Brea tar pits），其中保存了大量完整的更新世动物化石。
这是一幅当时的生态复原图：一头倒霉的大象不慎失足掉进了天然陷阱沥青湖里，贪婪的剑齿虎与恶狼乘“象”之危，围上去大快朵颐，谁知道最后连自己的小命也搭了进去！这个沥青湖的化石挖掘现场旁边，现在建了一个很漂亮的自然博物馆—佩吉博物馆，博物馆中陈列着沥青湖中被保存下来的大量精美的史前动物骨架。
美国怀俄明州有一个“天然陷阱洞穴”（Natural Trap Cave），这是一个地下溶洞。
在冰河时代，地表被冰雪覆盖，像美洲猎豹、狼之类的肉食动物在追逐猎物（如羚羊、马等）的过程中失足跌入洞中，被一层又一层的沉积物掩埋，完整的化石骨架被保存下来，不少骨骼中还留存有珍贵的DNA，这些化石也是目前古生物学家们的研究热点。目前，采自这一地点的化石中，最多、最好的化石标本收藏于笔者所供职的美国堪萨斯大学自然历史博物馆。
像这类“特异埋藏化石群”（fossil lagerstätten），还有在德国法兰克福东南约35公里处的村庄麦瑟尔油页岩采矿坑中发现的始新世化石群，其中最著名的化石是2009年公布于世的灵长类“达尔文兽”。中国也有不少世界闻名的“特异埋藏化石群”（比如著名的“热河生物群”），在下文中我们会详细介绍。此外，硅化木也是一类有趣的化石。硅化木一般是被富含氧化硅的泥浆、淤泥、火山灰等沉积物掩埋后形成的。
这些沉积物中的硅质矿物等会慢慢渗入树木细胞内的微小孔隙并沉淀下来，取代了原来的木质，但树木却保留了原有的形态结构。多种矿物的不同颜色会给硅化木带来令人惊叹的各种色彩。有的成片的硅化木是在没有倒下的直立状态下，被沉积物掩埋在原地，它们便以原来森林的模样被保存下来，形成蔚为壮观的硅化木化石森林。中国有许多著名的硅化木化石林产地，比如浙江、辽宁、北京、新疆等地。
著名晚唐诗人陆龟蒙曾有“东阳多名山，金华为最大。其间绕古松，往往化为石”的名句。