Bakterien haben weder einen harten Skelett noch eine harte Schale. Wenn es Bakterienfossilien gäbe, wie würden sie entstehen? Bakterien sind so klein, wie könnte man sie also überhaupt finden, wenn sie fossilisiert wären? Tatsächlich können Bakterien fossilisiert werden. Es gibt eine besondere Gruppe von Lebewesen in der Natur, die als Blaualgen bezeichnet werden und zu den ersten Organismen auf der Erde gehören. Wissenschaftler haben in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinsschichten Fossilien gefunden, die Blaualgen ähneln. Blaualgen sind größer als die meisten Bakterien und können eine dünne Zellwand produzieren. Am wichtigsten ist, dass Blaualgen große Schichtstrukturen bilden können, die als Stromatolithen bezeichnet werden. Stromatolithen sind biogene Ablagerungen, die aus vorwiegend Blaualgen bestehen, die während ihres Wachstums und Stoffwechselprozesses anorganische Salze ablagern oder Mineralpartikel einfangen. Wenn man diese Stromatolithen in dünne Scheiben schneidet, kann man darin fein erhaltene Fossilien von Blaualgen und Algen finden. In China, in der Region Zhangjiakou Xuanhua bis Chicheng in Hebei, wurden in 1,8 Milliarden Jahre alten Gesteinsschichten aus dem späten Archäozoikum große Mengen an Eisenerz gefunden, die den Hauptbestandteil des Xuandong-Eisenerzvorkommens bilden. In den Eisenerzgesteinen von Xuandong und den begleitenden Stromatolithen wurden Fossilien von sechs Gattungen von Blaualgen gefunden.
Abgesehen von Blaualgen gibt es nicht viele fossile Bakterien. Unter bestimmten chemischen Bedingungen können Bakterienzellen durch anorganische Salze ersetzt werden und bilden Kopien lebender Zellen oder Pseudokristalle. Einige Bakterien können eine eiserne äußere Hülle sezernieren, die ebenfalls fossilisiert werden kann. Einige Bakterien können in Tiergehäuse oder Gesteine eindringen und in ihnen winzige Tunnel bilden, so dass man die Tiere indirekt anhand dieser Tunnel in verschiedenen Tiergehäusefossilien erkennen kann. Außerdem können in Bernstein oft viele feine Bakterienfossilien erhalten sein, und einige Bakterien können sogar nach Hunderten von Millionen von Jahren überleben. In einigen Tierknochenfossilien können auch Krankheitserreger gefunden werden, was darauf hinweist, dass diese Tiere zu Lebzeiten an Bakterien erkrankt waren. Die erstaunlichsten fossilen Bakterien sind wahrscheinlich die Magnetobakterien, die in ihren Zellen nanoskalige Magnetitkristalle bilden können. In 2 Milliarden Jahre alten Gesteinen können die von diesen Bakterien produzierten Magnetitkristalle mit einer Größe von einigen Mikrometern identifiziert werden, was sie zu den kleinsten fossilen Strukturen macht.