Hóa thạch cung cấp hồ sơ về sự sống trên Trái đất từ khoảng 1 tỷ năm trước, cho thấy các sinh vật, động vật và thực vật đã thay đổi như thế nào theo thời gian. Những hồ sơ này có thể được xác định niên đại, vì vậy chúng là một vật thể đại diện cho sự tiến hóa, chẳng hạn như cách loài cá cổ đại phát triển xương trong hàm theo thời gian.
Theo BioLogos, các hóa thạch có nguồn gốc từ khoảng 1 tỷ năm trước cho thấy sự sống sớm nhất trên hành tinh bao gồm các sinh vật đơn bào. Các hóa thạch từ khoảng nửa tỷ năm sau cho thấy những tế bào đơn lẻ đó đã phát triển thành những sinh vật có nhiều tế bào. Nói cách khác, các hóa thạch cho thấy các sinh vật đã tiến hóa trong một thời gian dài, chuyển từ cuộc sống đơn giản sang cuộc sống phức tạp hơn. Mô hình này tiếp tục trong suốt lịch sử, khi các dạng sống ngày càng trở nên phức tạp hơn.
Bất kỳ hóa thạch đơn lẻ nào phần lớn đều vô dụng như là bằng chứng của sự tiến hóa, nhưng theo thời gian, các nhà khoa học đã phát hiện ra một hồ sơ hóa thạch quan trọng của nhiều loài khác nhau. Những hóa thạch này thường được nhận biết rõ ràng là tổ tiên của các loài hiện đại. Các hóa thạch cũng nhất quán trong các khu vực địa chất, cho thấy rằng các loài đang phát triển dần dần này chủ yếu sống trong cùng một khu vực và cho phép các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về các quần thể bị cô lập. Những thay đổi gia tăng cũng được ghi lại kỹ lưỡng đối với một số loài. Ví dụ, ghi chép tiến hóa về sự thay đổi từ loài Eohippus tiền sử sang loài ngựa hiện đại được ghi chép đầy đủ; Eohippus là một loài ngựa ngắn, bốn ngón sống cách đây 60 triệu năm và dần dần phát triển thành loài ngựa hiện đại cao, một ngón.
Sự tiến hóa không diễn ra trong một đường thẳng, phát triển từ dạng sống này sang dạng sống khác. Trên thực tế, theo trang web Smithsonian, homo sapiens tiến hóa trong một nhóm lớn các loài người khác, mặc dù homo sapiens (loài người trên hành tinh hiện nay) là loài duy nhất sống sót.
Mặc dù có một số lỗ hổng và những dị thường không giải thích được khác trong mẫu hóa thạch, phần lớn bằng chứng ủng hộ mạnh mẽ thuyết tiến hóa. Các lý thuyết khác đã được nâng cao, chẳng hạn như thuyết sáng tạo, hoàn toàn trái ngược với hồ sơ hóa thạch. Các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu và tìm hiểu về hóa thạch với hy vọng giải thích được bất kỳ sự bất thường nào và hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa và kể từ năm 2014, các bằng chứng khoa học đã hỗ trợ quá trình tiến hóa.
