Esistono diverse modalità attraverso le quali i resti di un essere vivente possano trasformarsi in fossile: uno molto spettacolare è quello della pietrificazione. la sostanza organica originaria viene sostituita da composti inorganici che si trovano nelle acque circolanti nel sottosuolo; molti minerali possono fungere da agenti litificanti come la calcite (CaCO3), o la silice (SiO2).
Si considera un fossile anche una semplice impronta: se per esempio una conchiglia, rimasta sepolta nei sedimenti, viene nel tempo completamente sciolta dalle acque sotterranee, nella roccia sedimentaria potrebbe rimanere una sua impronta (o un suo calco esterno) in grado di riprodurre fedelmente la forma esterna originaria. Rispetto agli altri processi di fossilizzazione questo rimane comunque il più incompleto, dal momento che, ovviamente, non fornisce alcuna informazione sulle strutture interne.

Nelle foto accanto due esempi di "pietrificazione": pezzi di tronco silicizzati (foresta pietrificata Arizona, Stati Uniti) e un esempio di legno opalizzato (Australia).

La carbonizzazione è un altro tipo di fossilizzazione ed è particolarmente adatto alla conservazione dei vegetali e degli animali privi di "parti dure". Questa si ha quando la pressione del sedimento, che deve essere molto "fine", provoca la fuoriuscita dei componenti liquidi e gassosi dall'organismo e alla fine rimane solo una sottile pellicola esterna che testimonia la sua presenza. A volte anche questa sottile pellicola viene persa, ma il fine sedimento carbonioso, nella quale il fossile era inglobato, conserva comunque una controimpronta estremamente dettagliata. Lo studio dei grandi giacimenti di carbone europei e americani ha messo in evidenza che essi si sono formati lungo antiche zone costiere di tipo paludoso che venivano periodicamente invase dal mare. Quando questo avveniva, tutti i sedimenti biologici che fino a quel momento si erano deposti, venivano coperti da uno strato di sabbie e argille, preservandoli così dalla decomposizione.
Nella foto accanto un'ape fossile conservata come una sottile pellicola carboniosa.