在能够避开空气氧化作用和细菌腐蚀作用的特别适宜的情况下，有些生物的遗体能够比较完好地保存而没有显著的变化。例如，西伯利亚发现的一些保存在冻土里的曾经生存在2万5千年前的第四纪的猛犸象，不仅骨骼保存完整，而且皮肤、体毛、血肉、甚至胃里的食物都保存完好。在波兰的斯大卢尼发现的曾经在1万年前不甚掉入沥青湖中的披毛犀的整体化石是迄今所知的最完整脊椎动物动物化石。在我国抚顺煤矿形成于始新世至渐新世（大约5600万年前到2300万年前）的煤层里含有大量的琥珀，其中经常保存有完好精美的蚊子、蜜蜂和等昆虫化石和蜘蛛化石。 不过，这种没有经过显著化石化作用或只是有一些轻微变化的生物遗体是很少被发现的。绝大多数的生物化石仅仅保留的是其硬体部分，而且都经历了不同程度的化石化作用。所谓"化石化作用"是指，随着沉积物变成岩石的成岩作用，埋藏在沉积物中的生物遗体而经历了物理作用和化学作用的改造，但是仍然保留着生物面貌及部分生物结构的作用。化石化作用一般包括矿物质填充作用、交替作用和升馏作用等几种方式和过程。
举例来说，无脊椎动物的硬体结构间或多或少留有一些空隙，比如珊瑚的隔壁间隔、海绵的沟系、有孔虫的房室、一些贝壳多孔而疏松的内层、以及脊椎动物的骨骼。尤其是脊椎动物的肢骨，髓质的有机物分解消失以后留下了中空的部分，在地层下被埋藏日久以后，溶解在地下水中的矿物质（主要是碳酸钙）往往在其孔隙中经重结晶作用变成了较为致密、坚实、并且增加了重量的实体化石。这样的作用就是矿物质填充作用。
生物硬体的组成物质在埋藏情况下被逐渐溶解，再由外来矿物质逐渐补充替代的过程称为交替作用。在这个过程中，如果溶解和交替速度相等，而且以分子相交换，就可以保存原来的细微结构。例如世界各地经常发现的硅化木的形成，就是古老树木中的木质纤维被硅质替代，但是年轮和细胞轮廓等细微结构仍然保存下来的结果。而如果交替速度小于溶解速度，生物硬体的细微构造也会被破坏，最终只保留下来原物的外部形态。常见的交替物质有二氧化硅、方解石、白云石、黄铁矿等，相应的过程就可以叫做硅化、方解石化、白云石化和黄铁矿化。 升馏作用是指古生物遗体在被埋藏之后，不稳定成分分解、可挥发物质往往首先挥发消失，最后只留下炭质薄膜而保存下来的过程。这个过程也成为炭化。例如，笔石骨骼成分为几丁质，埋藏条件下经升馏作用后，氢、氮、氧等元素挥发消逸，仅仅留下碳质薄膜。再如，植物的叶子主要成分是碳水化合物，经过升馏作用后往往也只有碳质保存成了化石。
实体化石保存了古生物遗体的全部或部分，所以一般来说可以为科学家提供最为详尽的古生物身体形态结构信息，因此是古生物学研究中最主要的材料。
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