화석 기록은 지금까지 지구에 살았던 모든 유기체의 극히 일부만을 기록합니다. 화석화는 드문 과정이며, 대부분의 유기체는 화석이 되지 않습니다. 게다가, 이 화석 기록은 발견된 화석만을 보여줍니다. 그럼에도 불구하고, 오래 살고, 풍부하고, 단단한 몸을 가진 유기체의 퇴적암 화석이 화석 기록을 지배하고 있습니다. 이 화석들은 유기체의 신체 형태, 행동, 나이와 같은 귀중한 정보를 제공합니다. 화석 기록을 연구하는 것은 과학자들이 화석을 지질학적 맥락(예: 2억 5천만~5억 7천만 년 전)과 진화적 맥락(예: 최초의 네발동물 생물)에 놓는 것을 돕습니다.

예를 들어, 고래의 진화는 화석 기록을 통해 진화적 변화를 가장 잘 연구한 사례 중 하나입니다. 현대의 고래들은 육지에서 다시 물로 옮겨온 육지의 네발동물 조상에서 내려왔습니다. 조상 고래의 앞다리는 나중에 수영을 돕기 위해 지느러미로 진화한 반면, 뒷다리는 사라졌습니다. 화석 기록은 거의 5천만 년 전인 신생대 초기(early Cenozoic) 당시 고래의 육지 조상(예: Indohyus), 반수생 조상(예: Ambulocetus앰뷸라보세투스), 수생 조상(예: Dorudon)을 보여줍니다. 이렇게 현대 생물과 멸종된 생물 모두 지구 생명체에 관한 과학자들의 이해를 도울 수 있습니다.

생물 자체의 진화적 변화를 보여주는 것 외에도, 화석 기록은 생물다양성의 변화도 포착합니다. 고생대(Paleozoic) 전체를 아우르는 화석은 동물(예: 삼엽충과 같은 해양 절지동물), 식물(예: 길보아 나무), 그리고 곰팡이(예: 프로토탁사이트; Prototaxites)의 점진적인 출현을 기록하고 있습니다. 화석 증거는 또한 진화적 시간에 걸친 종의 대량 멸종도 반영합니다. 과학자들은 초기 종의 75% 이상이 사라진 다섯 가지 주요 멸종 사건을 알아냈습니다. 예를 들어 후기 고생대(late Paleozoic)의 대멸종 사건은 앞서 상술한 유기체를 말살시켰습니다.

화석은 과학자들이 지구상의 생명체를 재구성할 수 있게 해줍니다. 예를 들어 멸종 사건은 공통 조상을 가진 다양한 종을 발생시키는 경향이 있습니다. 화석 증거는 후기 고생대의 대멸종 사건 이후 공룡의 시대가 시작해 거의 1억 8천만 년 동안 지속했다는 것을 뒷받침합니다 (즉 중생대, 2억 5천만 년 전에서 6천 5백만 년 전). 또 다른 대멸종 사건은 중생대 후반(late Mesozoic)에 일어났는데, 여기서 포유류의 시대가 시작되어 오늘날까지 계속되고 있습니다 (즉 신생대, 6천5백만 년 전 - 현재). 따라서 화석 기록은 종의 기원을 지지하며, 진화를 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.