O registo fóssil documenta apenas uma pequena fração de todos os organismos que já habitaram a Terra. A fossilização é um processo raro, e a maioria dos organismos nunca se tornam fósseis. Além disso, o registo fóssil só exibe fósseis que foram descobertos. No entanto, fósseis de rochas sedimentares de organismos de com grande longevidade, abundantes, e de corpo rígido dominam o registo fóssil. Esses fósseis oferecem informações valiosas, como a forma física, o comportamento e a idade de um organismo. Estudar o registo fóssil ajuda os cientistas a colocarem os fósseis em contextos geológicos (por exemplo, era Paleozóica; 250-570 milhões de anos atrás) e evolutivos (por exemplo, primeiro organismo tetrápode).
A evolução das baleias, por exemplo, é um dos exemplos mais bem estudados de mudança evolutiva no registo fóssil. As baleias atuais descendem de um ancestral terrestre e tetrápode que transitou da terra, de volta para a água. Os membros dianteiros das baleias ancestrais mais tarde evoluíram em barbatanas para ajudar a nadar, enquanto que os traseiros desapareceram. O registo fóssil revela os ancestrais terrestres (por exemplo, Indohyus), semiaquáticos (por exemplo, Ambulocetus), e aquáticos (por exemplo, Dorudon) das baleias ancestrais durante o início da era Cenozóica—há quase 50 milhões de anos. Tanto organismos atuais como extintos podem ajudar os cientistas a compreenderem a vida na Terra.
Além de mostrar mudanças evolutivas nos próprios organismos, o registo fóssil também capta mudanças na biodiversidade. Fósseis ao longo da era Paleozóica registam o aparecimento gradual de animais (por exemplo, artrópodes marinhos como trilobites), plantas (por exemplo, árvores Gilboa), e fungos (por exemplo, Prototaxites). Evidências fósseis também refletem extinções em massa de espécies ao longo do tempo evolutivo. Os cientistas reconhecem cinco grandes eventos de extinção nos quais mais de 75% das espécies primitivas desapareceram. Por exemplo, um evento de extinção em massa no final da era Paleozóica exterminou os organismos mencionados anteriormente.
Os fósseis permitem que os cientistas reconstruam narrativas da vida na Terra. Por exemplo, eventos de extinção tendem a resultar na radiação de diversas espécies com um ancestral comum. Após o evento de extinção em massa da era Paleozóica, evidências fósseis suportam que a era dos dinossauros começou e persistiu por quase 180 milhões de anos (ou seja, era Mesozóica; 65-250 milhões de anos atrás). Outro evento de extinção em massa ocorreu no final da era Mesozóica, momento em que a era dos mamíferos começou e continua até aos dias de hoje (ou seja, era Cenozóica; 65 milhões de anos atrás-presente). Assim, o registo fóssil apoia as origens das espécies e serve como ferramenta essencial para a compreensão da evolução.
