La documentazione fossile documenta solo una piccola frazione di tutti gli organismi che hanno mai abitato la Terra. La fossilizzazione è un processo raro e la maggior parte degli organismi non diventano mai fossili. Inoltre, i reperti fossili mostrano solo fossili che sono stati scoperti. Tuttavia, i fossili di roccia sedimentaria di organismi longevi, abbondanti e duri dominano la documentazione fossile. Questi fossili offrono informazioni preziose, come la forma fisica, il comportamento e l'età di un organismo. Lo studio dei reperti fossili aiuta gli scienziati a collocare i fossili in contesti geologici (ad esempio, paleozoici; 250-570 milioni di anni fa) e nell'organismo evolutivo (ad esempio, primo tetrapode).

L'evoluzione delle balene, ad esempio, è uno degli esempi più studiati di cambiamento evolutivo nella documentazione fossile. Le balene moderne discendevano da un antenato terrano, il tetrapode che passava dalla terra, al ritorno all'acqua. Gli arti anteriori delle balene ancestrali in seguito si evolsero in pinne per aiutare a nuotare, mentre le loro zampe posteriori scomparvero. La documentazione fossile rivela gli antenati terrestri delle balene (ad esempio, Indohyus), semi-acquatici (ad esempio, Ambulocetus) e degli antenati acquatici (ad esempio, Dorudon)durante l'era cenozoica, quasi 50 milioni di anni fa. Sia gli organismi moderni che quello estinto possono informare la comprensione della vita sulla Terra da parte degli scienziati.

Oltre a mostrare cambiamenti evolutivi negli organismi stessi, la documentazione fossile cattura anche i cambiamenti nella biodiversità. I fossili di tutta l'era paleozoica registrano la graduale comparsa di animali (ad esempio, artropodi marini come trilobiti), piante (ad esempio alberi di Gilboa) e funghi (ad esempio, Prototaxites). Le prove fossili riflettono anche le estinzioni di massa delle specie nel tempo evolutivo. Gli scienziati riconoscono cinque grandi eventi di estinzione in cui oltre il 75% delle prime specie è scomparso. Per esempio, un evento di estinzione di massa nel tardo Paleozoico spazzò via gli organismi precedemente noti.

I fossili consentono agli scienziati di ricostruire i resoconti della vita sulla Terra. Ad esempio, gli eventi di estinzione tendono a provocare radiazioni di specie diverse con un antenato comune. Dopo l'estinzione di massa dell'era paleozoica, le prove fossili sostengono che l'era dei dinosauri è iniziata e persiste per quasi 180 milioni di anni (cioè era mesozoica; 65-250 milioni di anni fa). Un altro evento di estinzione di massa si è verificato nel tardo Mesozoico, a quel punto l'età dei mammiferi è iniziata e continua fino ai giorni nostri (cioè, era cenozoica; 65 milioni di anni fa-presente). Così, la documentazione fossile supporta le origini delle specie e serve come strumento essenziale per comprendere l'evoluzione.