化石記録は、地球上に生息してきたすべての生物のごく一部を示すに過ぎません。化石化は稀なプロセスであり、ほとんどの生物は化石にならないです。また、化石記録は、発見された化石のみを対象としています。とはいえ、化石記録の大半は、長寿で豊富な量の硬い体を持つ生物の堆積岩の化石です。これらの化石からは、生物の形態、行動、年齢などの貴重な情報が得られます。化石記録を研究することで、科学者は化石を地質学的（例：古生代、2億5千万年前～5億7千万年前）および進化的（例：最初の四足歩行の生物）な状況に位置づけることができます。
例えば、クジラの進化は、化石記録の中で最もよく研究されている進化の例の一つです。現代のクジラは、陸から水に戻った四足動物の祖先から生まれました。祖先のクジラは、前肢が後に泳ぎやすくするためのヒレに進化し、後肢は消滅したと言われています。化石記録によると、クジラの祖先は、約5000万年前の新生代初期から順に、陸生（例：Indohyus）、半水生（例：Ambulocetus）、水生（例：Dorudon）であったことがわかっています。現代の生物も絶滅した生物も、科学者が地球上の生命を理解する上で参考になるでしょう。
化石記録は、生物自体の進化の変化を示すだけでなく、生物多様性の変化も捉えています。古生代の化石には、動物（三葉虫などの海洋性節足動物）、植物（ギルボアの木など）、菌類（原生生物など）が徐々に出現したことが記録されています。化石証拠は、進化の過程における種の大量絶滅も反映しています。科学者たちは、初期の種の75％以上が消滅した5つの主要な絶滅イベントを認識しています。例えば、古生代後期の大量絶滅イベントでは、前述した生物たちが絶滅しています。
科学者は化石を利用することで地球上の生命の歴史を再現することができます。例えば、絶滅が起こると共通の祖先を持つ多様な種が広がる傾向があります。古生代末期の大量絶滅事件の後、恐竜の時代が始まり、約1億8千万年（中生代：6千5百万年前〜2億5千万年前）続いたと化石証拠から考えられています。また、中生代後期にも大量絶滅が起こり、その時に哺乳類の時代が始まり、現在まで続いています（新生代：6,500万年前〜現在）。このように、化石の記録は種の起源を裏付けるものであり、進化を理解する上で不可欠なツールとなっています。
