I fossili sono stati fin dall’inizio una delle più ricche fonti di prove a sostegno dell’evoluzione biologica. Infatti, la presenza tra i fossili di specie non più esistenti si poteva spiegare con il catastrofismo, ma l’assenza di resti delle specie moderne era molto più difficile da giustificare; questo era un dato con cui la paleontologia, vale a dire lo studio delle forme vissute nel passato, doveva necessariamente confrontarsi. Inoltre, lo studio dei fossili forniva un ulteriore elemento a favore dell’evoluzione: i fossili si trovano quasi esclusivamente nelle rocce sedimentarie, che derivano dalla deposizione di materiali erosi e trasportati da agenti fisici, soprattutto dall’acqua (▶figura 4). Poiché si formano per deposizioni successive, le rocce sedimentarie hanno una struttura stratificata dove, a meno di modificazioni successive, le porzioni più in basso corrispondono agli strati più antichi, mentre quelle poste in cima sono le più recenti.

Lo studio dei fossili evidenziava che spesso le specie viventi mostravano cambiamenti graduali nel passaggio dagli strati più vecchi a quelli più recenti, con forme che si avvicinavano sempre più a quelle moderne. Questo fatto poteva suggerire una tendenza delle specie a cambiare nel tempo, cioè ad evolvere.