Fosil kayıtları, Dünya'da yaşayan tüm organizmaların sadece küçük bir kısmını belgelemektedir. Fosilleşme nadir görülen bir süreçtir ve çoğu organizma asla fosil haline gelmez. Dahası, fosil kayıtları sadece keşfedilen fosilleri sergiler. Bununla birlikte, uzun ömürlü, bol, sert gövdeli organizmaların tortul kaya fosilleri fosil kayıtlarına hakimdir. Bu fosiller, bir organizmanın fiziksel formu, davranışı ve yaşı gibi değerli bilgiler sunar. Fosil kayıtlarını incelemek, bilim insanlarının fosilleri jeolojik (örneğin Paleozoyik Çağ; 250-570 milyon yıl önce) ve evrimsel (örneğin, ilk tetrapod organizması) bağlamda incelemelerine yardım eder.

Örneğin, balina evrimi, fosil kayıtlarındaki evrimsel değişimin en iyi çalışılmış örneklerinden biridir. Modern balinalar, karadan suya geri dönen karasal bir tetrapod atasından gelmiştir. Atalarının balinalarının ön ayakları daha sonra yüzmeye yardımcı olmak için yüzgeçlere dönüşürken, arka ayakları ortadan kaybolmuştur. Fosil kayıtları, yaklaşık 50 milyon yıl önce, erken Senozoyik dönem boyunca balinaların karasal (örneğin, Indohyus), yarı sucul (örneğin, Ambulocetus) ve sucul (örneğin, Dorudon) atalarını ortaya koymaktadır. Hem modern hem de soyu tükenmiş organizmalar, bilim insanlarının dünya üzerindeki yaşam anlayışını geliştirebilir.

Fosil kayıtları, organizmaların kendilerinde evrimsel değişiklikler göstermenin yanı sıra, biyoçeşitlilikteki değişiklikleri de yakalar. Paleozoyik dönem boyunca fosiller, hayvanların (örneğin, trilobitler gibi deniz eklembacaklıları), bitkilerin (örneğin, Gilboa ağaçları) ve mantarların (örneğin, Prototaksitler) kademeli olarak ortaya çıkmasını kaydeder. Fosil kanıtları, evrimsel zaman boyunca türlerin kitlesel yok oluşlarını da yansıtmaktadır. Bilim insanları, erken türlerin %75'inden fazlasının ortadan kaybolduğu beş büyük yok olma olayını kabul etmektedir. Örneğin, geç Paleozoyik dönemde kitlesel bir yok olma olayı, yukarıda belirtilen organizmaları yok etmiştir.

Fosiller, bilim adamlarının Dünya'daki yaşam hesaplarını yeniden inşa etmelerini sağlar. Örneğin, yok olma olayları, ortak bir ataya sahip çeşitli türlerin radyasyonuna neden olma eğilimindedir. Geç Paleozoyik çağın kitlesel yok olma olayından sonra, fosil kanıtlar dinozorların yaşının yaklaşık 180 milyon yıl (yani, mesozoyik Çağ; 65-250 milyon yıl önce) kadar yaşadığını desteklemektedir. Geç Mesozoyik dönemde bir başka kitlesel yok olma olayı meydana gelmiş ve bu noktada memelilerin hayatı başlamış ve günümüze kadar devam etmiştir (yani, Senozoyik dönem; 65 milyon yıl önce-şimdiki). Böylece, fosil kayıtları türlerin kökenlerini destekler ve evrimi anlamak için önemli bir araç olarak hizmet eder.