A fossilização é o processo pelo qual os restos de organismos (por exemplo animais e vegetais) e os seus vestígios (como pegadas, escavações e mudas) são preservados até os dias de hoje.
Freqüentemente o que é conservado são as partes duras e mais resistentes, como ossos, conchas, troncos e sementes, mas em alguns casos até mesmo tecidos moles como os órgãos internos e detalhes de células podem ser preservados.
Existem diversas formas de fossilização, entretanto para que qualquer uma delas ocorra é necessário que os restos do organismo sejam soterrados rapidamente antes de sua destruição. A exposição ao ar e aos agentes do tempo, bem como a ação de necrófagos (seres que se alimentam de cadáveres) e decompositores (bactérias e fungos), acabam destruindo o que sobrou em pouco tempo.
O soterramento ocorre pelo acúmulo de sedimento (lama, areia etc) por sobre os restos do organismo, o que é mais fácil de acontecer dentro de rios, lagos, mares e as vezes em dunas de antigos desertos.
Mesmo que estejam enterradas, até as partes duras de um animal podem não resistir à ação de substâncias químicas, particularmente de soluções ácidas. Assim, o que sobrou do organismo pode ser dissolvido deixando em seu lugar um espaço vazio ou impressão. Se tivermos um fóssil assim (vazio) pode-se preenchê-lo com borracha látex ou com massa plástica e se consegue uma réplica exata do material que ali existia. Eventualmente a própria natureza faz o trabalho preenchendo o vazio com outros minerais formando um molde natural.
Algumas vezes, ossos de dinossauros, de peixes, ou de qualquer outro tipo de vertebrado, bem como carapaças e conchas de invertebrados, permanecem inalterados quimicamente por milhares de anos até serem descobertos.
Além dos moldes ou impressões os processos mais comuns são a permineralização, que consiste no preenchimento dos poros de ossos e conchas por outros minerais; e a substituição, onde o material original é substituído por um outro mineral, quando ocorre de forma muito lenta, molécula por molécula, se preservam detalhes até mesmo a nível celular; e a incrustação, que consiste no envolvimento da peça por um depósito mineral.
A destilação constitui um processo de fossilização onde os componentes voláteis da matéria orgânica (H, N, O) escapam deixando uma película de Carbono com um formato que geralmente permite o reconhecimento do organismo. Na recristalização ocorrem mudanças na micro-estrutura das partes resistentes, sem alteração química, ou seja, muda a forma como os átomos estão arranjados modificando a forma dos cristais que formam ossos, conchas e carapaças, assim, a substância final muda, mas continua com a mesma composição química.
São conhecidos casos de aprisionamento do ser, animal ou vegetal, em geleiras - como no caso dos famosos mamutes siberianos, em resina vegetal (âmbar). Estes dois processos preservam às vezes até mesmo os tecidos moles e a forma externa dos organismos com grande precisão de detalhes.
Mais raramente um organismo pode sofrer mumificação. Ela ocorre quando algum animal morre em uma caverna ou região muito seca (glacial ou desértico) e o clima desidrata o corpo, nesses casos os tecidos moles como a pele e músculos ficam endurecidos pela desidratação aumentando a possibilidade de preservação.