Theo Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên của Đại học Oxford, hóa thạch hình thành khi các mỏ khoáng chất thay thế xương của các sinh vật chết bên trong lớp trầm tích cứng. Theo thời gian, những lớp trầm tích này thay thế hoàn toàn bộ hài cốt, tạo thành hình ảnh của xương từ đá rắn.
Hóa thạch bắt đầu khi một con vật chết trong điều kiện cho phép phần còn lại của nó được bao phủ trước khi tan biến hoặc phân tán. Lúc đầu, cặn lắng xung quanh tử thi mềm. Những kẻ phân hủy tước bỏ phần thịt và phần mềm của thân thịt, chỉ để lại xương. Lớp trầm tích tạo thành khuôn xung quanh những chiếc xương này, đồng thời áp suất và nhiệt chuyển đổi lớp trầm tích mềm thành đá cứng, bao bọc hoàn toàn phần còn lại.
Cuối cùng, nước ngầm đi vào trầm tích, dần dần hòa tan canxi của xương. Nếu nước chứa đủ khoáng chất ở dạng huyền phù, nó sẽ để lại cặn các khoáng chất này. Xương biến mất, dần dần thay thế xương bằng vật liệu cứng hơn nhiều. Điều này tạo ra một hóa thạch với tất cả các đặc điểm bên ngoài của xương được thay thế, nhưng không có cấu trúc bên trong.
Ngoài xác động vật, hóa thạch cũng có thể được tạo ra từ thực vật hoặc thậm chí là dấu chân của những con thú lâu đời. Trong một số trường hợp, các điều kiện cụ thể như oxy thấp hoặc nồng độ axit cao có thể bảo tồn nhiều thực vật bị đổ hơn hoặc ngăn động vật không bị thối rữa hoàn toàn. Điều này bảo vệ thịt hoặc các mô mềm hơn cũng như xương.
