不仅如此，化石还可以通过矿化作用与石化作用被保存下来。最为常见的矿物有方解石、二氧化硅以及各种铁化合物。当生物体较坚硬的部分所在的空间有了矿物沉淀时，生物的坚硬部分会因此变得更为坚硬，同时也能够更好地抵抗风化作用。这里说的矿化作用，也可称为置换作用，就是指生物体的坚硬部分被地下水所溶解，同时其他物质的沉淀便填充了所空出来的位置。不过有些通过置换作用形成的化石，其内部的原始结构都已经被破坏。能够形成化石的不仅仅是动植物的遗体，也包括那些能够表明它们曾经存在过的证据或踪迹。这些痕迹化石可以提供有关该生物特点的很多情况。生物体的壳、骨、叶以及其他部分，都能够以阴模和阳模的形式被保存下来。就拿一个贝壳来说，在沉积物还未硬化成岩时就被压入海底，这样一来，就会留下外表特征的压印（也称阴模）。后来，另外一种物质又充填了阴模，也就形成了所谓的阳模。对于阳模来说，可以更好地显示出贝壳本来的外部特征。这是因为生物体外部阴模显示的是坚硬部分的外部特征，而其内部阴模显示的是生物体坚硬部分的内部特征。
印痕、足迹、洞穴都可以形成化石，这也是一些动物留下它们曾经存在的证据的方式之一。
例如足迹化石，不仅能够显示动物的基本类型，而且也可以提供相当多的环境资料。比如恐龙，其足迹化石不仅能够揭示其足的大小和形状，还可以从侧面了解长度和重量。
不仅如此，留有足迹的岩石也能帮助确定该生物的生活环境与条件。在美国德克萨斯州索美维尔县的罗斯镇附近的帕卢西河床中，科学家从白垩纪石灰岩中发现了世界上最著名的恐龙足迹化石。这种恐龙大约生活在11亿年前。后来，这块留有恐龙足迹的大石灰岩板便被运到全世界的博物馆中进行展出，为科学家们研究这种巨大的爬行动物提供了有力证据。此外，在许多砂岩和石灰岩沉积层的表面可以看到无脊椎动物留下的踪痕。这些踪痕不仅有简单的踪迹，也有螃蟹及其他爬行动物的洞穴。踪痕化石可以让人类更好地了解当时生物的活动方式和生存环境。供动物藏身的洞穴是动物在地上、木头上或石头上以及其他物质上钻出的管状或圆洞状的孔穴，随着时间的推移，这些孔穴一旦被细小的物质充填，就能够保存下来了。有时候甚至能在这些孔穴里发现动物的遗体化石。一些海洋动物，如蠕虫、软体动物等，都会在松软的海底留下洞穴。其中有一些软体动物，例如凿船虫——一种钻木的蛤，石蜊——一种钻石的蛤，它们的洞穴化石和钻孔化石也常常被发现。人类目前已知的最古老的化石就是管状构造的。据研究这种管状构造是蠕虫的洞穴。类似的化石在许多最古老的砂岩中也可以看到。
由于这些钻孔是那些动物为了觅食、附着和藏身而打的洞，因此经常出现在化石化的贝壳、木头和其他生物体的化石之上。而且钻孔也属于一种化石，例如食肉动物——钻孔蜗牛，就能够穿过其他动物的壳钻孔来获取食物。因此我们会在很多古代软体动物的壳上看到好像钻孔蜗牛打的排列整齐的洞。
对于追溯动植物的发展与演化，化石起着非常重要的作用，这是由于在年代较长的岩石中的化石，通常是原始的和结构较为简单的，而在年代较近的岩石中的类似种属的化石相对来说较为复杂和高级。
一些化石的价值在于可以作为环境的指示物，例如造礁珊瑚，人们会认为其生活地与今天极为相似。因此，一旦地质学家发现了珊瑚礁化石——珊瑚最初被埋藏的地方，就可以认为，这些含有珊瑚的岩石形成于温暖的浅海中。这样一来，就极有可能勾画出史前时期海洋的所处位置及范围。而且珊瑚礁化石的存在为了解古代水体的深度、温度、底部条件和含盐度提供相当多的信息。
化石还有一个重要的用途，那就是用来对比，以此来确定若干岩层间彼此相互关系的密切程度。通过比较，就能够了解各岩层所含的化石特征，地质学家可以以此为依据确定一个特定区域的某种地质建造的分布。这种化石人们称为指示化石，这种化石在地质历史上存在的时间较短，然而它的地理分布却很广。因为此种化石一般只是和某一特定时代的岩石共生，所以最有价值的用处之一就是用来比较确定岩层的年代。
在石油勘探方面，经常用微生物化石作为指示化石。微体古生物学家（研究微体古生物的学者）通过对从钻孔中取得的岩心进行冲洗，将微小的化石分离出来。接着便在显微镜下进行观察与研究，可以获得很多有价值的资料，这些资料可以用来判断地下岩层的年代和储油的可能性。微体古生物化石对于世界油田极为重要，这一点可以从某些储油地层用某些关键的有孔虫的属来命名看得出来。其他微体古生物化石，例如，介形虫、孢子和花粉，也可以用来确定世界其他许多地区的地下岩层。
植物化石提供了许多有关整个地质时代的植物演化的资料。植物化石虽然可以用来指示气候变化，但是用于地层对比却不准确。
形成化石的条件
化石是生物进化的直接证据，是古生物学的主要研究对象。化石的形成必须具备一定的条件。
生物死亡的数量
一般地说，生物死亡数量越多，形成化石的机会也就越多，反之亦然。因此，在由海洋环境形成的地层中，比较容易发现动物化石，特别是珊瑚一类的化石。在含煤的地层中，比较容易得到植物化石，在一些由陆地环境形成的地层中难以找到化石，尤其是哺乳动物的化石。
生物体组成部分的坚硬程度
凡是硬体部分如介壳、骨骼、牙齿、角、树干、孢子、花粉等，不易腐烂与毁灭；凡是软体部分如皮肤、肌肉和各种器官，则容易腐烂而后消失。所以，常见的化石，大多数由生物体的硬体部分所形成。恐龙化石多为其骨架，象的化石多为牙齿和骨骼，河蚌化石多为介壳，三叶虫化石大多数是甲壳，硅化木是裸子植物的次生木质部的木质纤维形成的。孢粉等研究的主要内容之一是古代植物孢子和花粉的形态、分类、组成和分布等，实际上是通过孢子和花粉的化石来研究的。
生物尸体的掩埋速度
生物尸体如果暴露于空气中，会受氧化作用或被其他生物吞食而遭破坏，即使是硬体部分，天长日久，也会被风化和毁坏。因此，生物死后，必须要有某种沉积作用将其迅速掩埋，才能较好地保存。凡是生物繁盛而地质沉积作用急剧进行的地区，化石就比较多。我国甘肃东部、山西西北部、河南西部、陕西等地的地层多数在河湖中形成，由于动物的遗体埋在水底，盆地周围的沉积物不断覆盖，经沧桑变迁，河湖干涸，沉积物变成坚硬的化石，并且暴露于地表。因此，这些地区是哺乳动物化石较多的产地。
石化的程度和快慢
石化包括钙化、硅化、碳化、矿化，是把古生物的遗体、遗物和遗迹通过物理和化学作用，使其变得坚硬如石的过程。
物理作用指的是生物体的外形烙印在岩层上，或是壳体、骨骼等空隙被泥沙或其他矿物质所充填使其变硬的过程。如古植物的根、茎、叶、花、果实和古动物的触须、附肢、羽毛等形成的印痕化石就是通过这种作用。
化学作用是指化学溶液，如碳酸钙、二氧化硅、黄铁矿等溶液对古生物硬体部分的作用。这些溶液在地层中流动时，不断接触古生物硬体部分，其矿物质成分不断与生物体物质进行化学置换，久而久之，这些生物体的物质成分几乎全部被矿物质成分所取代，而形态则保持原样。例如前面提到的常见的硅化木，其物质成分已不是木质纤维，而是二氧化硅。但仍体现出其外部形状，细胞、年轮也都保存了下来。
众说纷纭的化石
在几千年前，人类历史的早期，就有一些希腊学者曾对沙漠中以及山区出现的鱼类化石及海生贝壳感到迷惑不解。直到公元前450年，古罗马历史学家希罗多德对埃及沙漠进行了考察，并且正确地指出那一地区曾被地中海淹没。
公元前409年，亚里士多德进一步证明了化石是由有机物形成的，但是他提出化石之所以被保存在岩石中是由于地球内部存在着神秘的塑性力。在公元前350年，他的一个学生狄奥佛拉斯塔也提出了化石代表着某些生命形式，这些生命是由埋植在岩石中的种子和卵发展形成的。在公元前63年到公元20年，斯特拉波发现在高海拔的陆地上有海生化石的存在，于是他便作出正确的推断，认为含有此类化石的岩石曾经受到较大幅度抬升。
对于化石，处在中世纪黑暗时代的人们有着各种各样海生化石的看法。有人将其视为自然界的奇特现象，也有人认为是魔鬼的作品。这种迷信的说法，再加上宗教权威的反对，使得化石研究进程速度大减。
大约在15世纪初，人们才普遍接受了化石的真正起源。不仅如此，人们逐渐接受化石是史前生物的残体，然而仍将其视为基督教圣经上所记载的“大洪水的遗迹”。对此，科学家与神学家进行了激烈的争论，持续时间为300年。
在欧洲文艺复兴时期，几个早期自然科学家，其中也包括著名的达·芬奇。当达·芬达奇论及化石问题时，坚决主张：洪水并不是所有化石形成的条件，也无法解释为什么有的化石出现在高山上。这些自然科学家非常肯定地认为，化石是古代生物的证据，而且正确地指出海洋曾经淹没意大利。达·芬奇认为，古代动物的遗体被深埋在海底，在随后的某个时间，海底突然隆起高出海平面，形成了意大利半岛。
在18世纪末和19世纪初，化石已经形成一门学科。自此以后，化石对地质学家的研究工作起着越来越重要的作用。化石多发现在海相沉积岩中，当海水中沉积物，例如石灰质软泥、沙、贝壳层等被压实并胶结成岩时，就形成了海相沉积岩。其中仅有很小一部分罕见的化石出现在火山岩和变质岩中。火山岩形成时，温度高达数千摄氏度，没有化石可以在这么高的温度中保存下来。而变质岩的形成也经历了剧烈的物理和化学反应，同样也很难有化石保存下来。即使在沉积岩中，能够保存下来的记录也只是史前动植物极小的一部分。如果了解形成化石的过程需要的条件是非常苛刻的，也自然就明白了沉积岩中所保留下来的仅仅是史前动植物的很小一部分原因了。