Übergangsfossilien sind die Fossilien von Übergangsformen des Lebens, die eine evolutionäre Brücke zwischen zwei anerkannten Gruppen darstellen. Übergangsfossilien gehören zu den stärksten Beweisen für Darwins Evolutionstheorie und natürliche Selektion, aber sie werden nur unzureichend anerkannt. Viele Leute glauben, dass der Fossilienbestand der Übergangszeit mehr Lücken aufweist, als er tatsächlich hat. In Wirklichkeit sind Hunderte von wichtigen Übergangsformen bekannt.
Eines der ersten offensichtlichen Übergangsfossilien ist Pikaia gracilens, ein vereinfachter lanzettförmiger Organismus, der im Burgess-Schiefer (vor 505 Millionen Jahren) sowie in den Flinders Ranges in Australien (vor 560 Millionen Jahren) gefunden wurde. Pikakia ist ein Übergangsfossil zwischen den Wirbellosen und den Wirbeltieren (Chordata) und zeigt eine primitive Chorda, den Vorläufer eines Rückgrats. Pikakia war durchschnittlich 1 cm lang und schwamm über dem Meeresboden, wo sie wahrscheinlich Mikrofauna und Nahrungspartikel fraß. Pikakia versteinert relativ schlecht, bisher wurden nur 1 Exemplare gefunden.
Ein späteres Übergangsfossil ist der Lappenflossenfisch Tiktaalik, ein Proto-Tetrapode, der vor etwa 375 Millionen Jahren, im späten Devon, lebte. Die Tiktaalik-Flossen zeigen einfache Handgelenksknochen und einfache Finger, die zeigen, dass sie Gewicht trugen und dass das Tier zumindest begrenzte Landgänge unternahm. Tiktaalik gilt als Übergangsfossil zwischen Fischen und Tetrapoden. Da es Eigenschaften von beiden aufweist, wurden Tiktaalik und ähnliche Fossilien als „Fischapoden“ bezeichnet.
Ein weiteres Übergangsfossil, eines der berühmtesten, ist Archaeopteryx, ein Übergang zwischen Vögeln und Dinosauriern. Archaeopteryx lebte vor 155 bis 150 Millionen Jahren im späten Jura. Das erste vollständige Skelett wurde 1862 bekannt gegeben, und die Art wurde zu einem Schlüsselbeweis, der verwendet wurde, um die Evolutionstheorie in ihren Kinderschuhen zu verteidigen. Archaeopteryx könnte bis zu 0.5 m lang werden und hat trotz seiner oberflächlichen Ähnlichkeit mit Vögeln tatsächlich mehr mit kleinen kleinen Theropoden-Dinosauriern gemeinsam.
Es wurden viele Übergangsfossilien zwischen dem Menschen und unseren unmittelbaren Vorfahren, den Schimpansen, gefunden. Da diese Arten erst in den letzten paar Millionen Jahren lebten, sind diese Fossilien in der Regel besser erhalten als die älteren. Homo habilis und Homo erectus sind zwei gängige Beispiele für solche Übergangsfossilien und sie sagen uns viel über die Evolution der Hominiden.