細菌は硬い骨や甲壳類を持っていないので、もし細菌の化石が見つかったとしても、どのようにして形成されたのでしょうか。細菌は非常に小さいため、化石になっていたとしても、どうやって見つけ出すのでしょうか。実際、細菌は化石として保存されることがあります。自然界には、地球上で最も初期の生物の1つである青藻と呼ばれる特殊な生命群が存在します。科学者たちは、35億年前の古代岩層から青藻に似た化石を発見しています。青藻はほとんどの細菌よりも大きく、薄い細胞壁を分泌することができます。最も重要なのは、青藻は大規模な層状構造、つまり叠层石を形成することができます。叠层石は、青藻を主な構成要素とする微生物が成長や代謝活動を行う際に無機塩を堆積したり、鉱物粒子を捕獲したりして形成される生物堆積物です。この叠层石を薄く切ると、青藻や藻類の化石が保存されている可能性があります。中国の河北省張家口市宣化から赤城までの地域では、18億年前の古元古代後期の地層に大量の鉄鉱石が含まれており、宣龙鉄鉱石の主な構成要素となっています。宣龙鉄鉱石と伴生する叠层石鉄鉱石から、6属の化石青藻が発見されています。
青藻以外の化石細菌はあまり多くありません。特定の化学条件下で、細菌細胞が無機塩によって置き換えられ、活細胞の複製物や假晶が形成されます。一部の細菌は鉄製の外殻を分泌し、化石になることもあります。一部の細菌は動物の貝殻や岩石に侵入し、貝殻や岩石の中に微小な管を形成することがあり、これらの管を分析することで様々な時代の動物貝殻の化石を間接的に理解することができます。また、琥珀には多くの精巧な細菌が保存されており、一部の細菌は数億年後でも生存しています。一部の動物骨格化石からも病原菌が発見されており、これらの動物が生きていた頃に細菌による病気に苦しんでいたことを示しています。最も驚くべき化石細菌は磁性ロッド菌であり、この細菌は細胞内にナノサイズの磁铁矿結晶を形成することができます。20億年前の古代岩石から磁铁矿結晶が検出され、その大きさは数μmであり、これは最小の化石である可能性があります。