Бактерии не имеют ни твёрдых скелетов, ни твёрдых оболочек. Как же могут образовываться их окаменелости? Бактерии настолько малы, что даже если они образуют окаменелости, как их можно найти? На самом деле бактерии действительно могут сохраняться в виде окаменелостей. В природе существует особая группа живых существ, называемая цианобактериями, которые являются одними из самых ранних организмов на Земле. Учёные обнаружили окаменелости, похожие на цианобактерии, в 3,5-миллиардных геологических слоях. Цианобактерии были крупнее большинства бактерий и могли выделять тонкую клеточную стенку. Самое главное, цианобактерии могли образовывать крупные слоистые структуры, называемые строматолитами. Строматолиты представляют собой биогенные отложения, образованные главным образом цианобактериями в процессе роста и метаболической активности, путём накопления неорганических солей или захвата минеральных частиц. Если измельчить эти строматолиты в тонкий порошок, в них могут быть обнаружены хорошо сохранившиеся окаменелости цианобактерий и водорослей. В геологическом районе от Сюаньхуа до Чжичэн в провинции Хэбэй, Китай, в 1800-миллионных геологических слоях раннего протерозойского периода содержатся обильные залежи железной руды, составляющие основу Сюаньлунского железорудного месторождения. В железной руде Сюаньлун и сопутствующих ей строматолитовых железных рудах были обнаружены шесть видов ископаемых цианобактерий.
Помимо цианобактерий, количество ископаемых бактерий невелико. При определённых химических условиях бактериальные клетки могут быть заменены неорганическими солями, образуя копии живых клеток или псевдокристаллы. Некоторые бактерии могут выделять железные внешние оболочки, которые также могут стать ископаемыми. Некоторые бактерии могут проникать в раковины животных или в скалы, образуя крошечные трубки внутри раковин или скал, поэтому можно косвенно узнать о них, анализируя эти трубки в окаменелостях раковин животных разных эпох. Кроме того, в янтаре часто сохраняются многочисленные прекрасно сохранившиеся бактерии, а некоторые бактерии могут выживать даже после миллиардов лет. В некоторых ископаемых костях животных также могут быть обнаружены бактерии, вызывающие болезни, что свидетельствует о том, что эти животные страдали от болезней, вызванных бактериями при жизни. Самыми удивительными ископаемыми бактериями, возможно, являются магнитные бактерии, которые могут образовывать наноразмерные кристаллы магнетита внутри клеток. В двухмиллиардных геологических слоях можно различить кристаллы магнетита, образованные этими бактериями, размер которых составляет несколько микрометров, что делает их, возможно, самыми маленькими ископаемыми.