I batteri non hanno né ossa né gusci duri, quindi come potrebbero formarsi fossili di batteri? I batteri sono così piccoli che, anche se si formassero fossili, come potremmo trovarli? In realtà, i batteri possono davvero diventare fossili. Nella natura esiste un particolare gruppo di esseri viventi, chiamati cianobatteri, che sono tra i primi organismi della Terra. Gli scienziati hanno scoperto fossili simili ai cianobatteri in strati geologici di 3,5 miliardi di anni fa. I cianobatteri sono più grandi della maggior parte dei batteri e sono in grado di secernere una sottile parete cellulare. Soprattutto, i cianobatteri sono in grado di formare grandi strutture a strati, chiamate stromatoliti. Gli stromatoliti sono strutture sedimentarie biologiche formate da microrganismi, principalmente cianobatteri, durante la crescita e le attività metaboliche, aderendo e precipitando sali inorganici o catturando particelle minerali. Se si macina questi stromatoliti in sottili lamelle, è possibile trovare fossili ben conservati di cianobatteri e alghe. Nella regione di Zhangjiakou, nella provincia di Hebei, in Cina, tra Xuanhua e Chicheng, gli strati geologici del tardo Eon Eoarca, risalenti a 1,8 miliardi di anni fa, contengono grandi quantità di minerali di ferro, che costituiscono la maggior parte del minerale di ferro di Xuandong. Nel minerale di ferro di Xuandong e nei minerali di ferro associati agli stromatoliti, sono stati trovati fossili di sei generi di cianobatteri.
Oltre ai cianobatteri, i fossili di batteri non sono molto numerosi. In determinate condizioni chimiche, dopo che le cellule batteriche sono state sostituite da sali inorganici, si formano copie delle cellule vive o pseudocristalli. Alcuni batteri sono in grado di secernere un rivestimento di ferro e a volte anche di diventare fossili. Alcuni batteri possono penetrare nei gusci di animali o nelle rocce e formare piccoli tubi all'interno dei gusci o delle rocce, consentendo di conoscere indirettamente gli animali attraverso l'analisi di questi tubi nei fossili di gusci di animali di varie epoche. Inoltre, l'ambra di solito conserva numerosi batteri finemente dettagliati, alcuni dei quali possono sopravvivere anche dopo milioni di anni. Nei fossili di ossa di alcuni animali si possono trovare batteri patogeni, a dimostrazione che questi animali hanno sofferto di malattie causate dai batteri durante la loro vita. I fossili di batteri più sorprendenti potrebbero essere i magnetospirilli, che sono in grado di formare cristalli di magnetite di dimensioni nanometriche all'interno delle cellule. I cristalli di magnetite prodotti da questi batteri 2 miliardi di anni fa possono essere individuati in rocce antiche di pochi micrometri di dimensioni, che potrebbero essere i fossili più piccoli mai scoperti.