現在地球上存在著數百萬種物種，若將地質史上已灭绝的物種包括在內，那將有超過十億種。這些物種形狀各异，大小不一，有的结构很简单，有的结构极其复杂。它們並非由超自然的神创造，而是從最简单的原核生物一步一步進化而來。生物的演化過程可以在化石中找到證據。
約 35 億年前，地球上出現了最簡單、最原始的原核細胞（由細胞膜、細胞壁和細胞質組成的單細胞生物） —— 蓝细菌（又稱蓝藻）。至 25 億年前，地球地層中只發現了原核細胞化石。如果已發現的 20 億年前地層中的真核生物化石可靠，那么真核生物的出現時間應不晚於 20 億年前。接著，由藻類演化而來的最原始動物化石出現了。最早期的動物和植物差異不大，比如最早期的沟鞭藻，因體內含有葉绿素，可以進行光合作用，所以被稱為藻類；有的學者稱它為沟鞭虫，因它可以靠鞭毛運動，所以得名。
在後來的地層中，人們找到了蠕虫類化石，接著找到了半索類或脊索類化石、属于脊椎動物的魚類化石（比如中國寒武紀早期的昆明鱼化石）、两栖類化石和爬行類化石，最後找到了哺乳類（包括人类）化石和鸟类化石。在生物的每個演化階段都可以找到許多化石证据。因此，化石為達爾文的進化論提供了過去生物演化獨一無二的歷史線索，它们聚集在一起便能幫助科學家勾畫出地質史上的 “生命之樹”。這樣的生命之樹雖然不夠完備，但沒有化石，我們就無法了解過去和現在各種生物是何時、如何一步一步演變而來的，更無法知道谁是它们的祖先。
更重要的是，化石還提供了了解生物演化許多缺失環節的線索和證據，比如带羽毛的恐龍化石、始祖鸟化石、三趾馬化石、許多远古的人类化石，通过它们，我们似乎能親眼見到生物演化的神奇過程。因此，自達爾文提出進化論以來，化石一直是支持這一學說最有力、也是最直接的证据。