Parfois, les paléontologues déterrent des fossiles difficiles à classer. Certains fossiles sont si énigmatiques qu’il n’y a même pas d’accord sur le phylum animal auquel ils appartiennent. Certains, comme les Vendozoa, de mystérieux matelas matelassés et des sacs de la période édiacarienne, il y a environ 600 à 542 millions d’années, ont provisoirement reçu leur propre phyla. D’autres restent sans place, avec des interprétations contradictoires quant à leur affinité. Un fossile dont la classification est inconnue est appelé incertae sediis, latin signifiant placement incertain.
Les organismes fossiles difficiles à classer sont les plus nombreux dès l’aube de la vie multicellulaire, durant les périodes édicarienne et cambrienne. La vie multicellulaire est apparue dans l’Édiacarien, il y a environ 600 millions d’années. Les fossiles de cette époque sont si primitifs qu’il est difficile de dire ce qu’ils sont. L’un de ces organismes fossiles est Cloudina, l’un des premiers organismes biominéralisants, dont il ne reste qu’un tube calcaire. Divers experts en organismes fossiles l’appellent soit une éponge primitive, soit un cnidaire ressemblant à un corail (par rapport aux méduses), soit même un ver segmenté précoce.
Les organismes fossiles du biote édiacarien sont parmi les plus mystérieux, car ils sont nombreux et il n’y a guère de consensus sur la classification de quelques-uns. Le biote d’Ediacaran comprenait les premiers écosystèmes multicellulaires connus et, comme indiqué précédemment, se composait de divers sacs, frondes et matelas remplis de liquide avec un motif matelassé caractéristique. Un membre emblématique du biote d’Edicaran, Charnia, ressemble un peu à un cnidaire des temps modernes, la plume de mer, ce qui a conduit certains scientifiques à classer le biote d’Ediacaran comme des cnidaires sans cellules urticantes, mais d’autres chercheurs les appellent lichens, champignons, protistes géants, basal métazoaires, colonies bactériennes, etc. La question est toujours en suspens.
D’autres organismes fossiles qui ont été difficiles à classer proviennent de la période cambrienne, qui s’est produite immédiatement après l’Édiacarien. L’un des plus célèbres est la créature prédatrice ressemblant à une crevette, Anomalocaris, dont les pièces constitutives étaient autrefois considérées comme trois organismes distincts. Initialement, l’un de ses bras détachés appartenait à un crustacé, sa bouche, en forme de tranche d’ananas, était prise pour une méduse et son corps était classé comme une éponge. Ce n’est qu’en 1985 que les scientifiques ont réalisé qu’il s’agissait de parties d’un proto-arthropode prédateur, le plus grand prédateur cambrien connu mesurant jusqu’à un mètre de long.
Parmi les autres organismes fossiles qui se sont avérés difficiles à classer, citons le Cambrien Wiwaxia, Opabina, Odontogriphus et bien d’autres. Après le Cambrien, de nombreux organismes s’installent dans des phylums bien établis et deviennent plus faciles à classer.