Manchmal graben Paläontologen Fossilien aus, die schwer zu klassifizieren sind. Einige Fossilien sind so kryptisch, dass es nicht einmal eine Übereinstimmung darüber gibt, zu welchem Tierstamm sie gehören. Einigen, wie den Vendozoa, wurden mysteriöse gesteppte „Matratzen“ und Taschen aus der Ediacara-Zeit vor etwa 600 bis 542 Millionen Jahren versuchsweise eigene Stämme zugewiesen. Andere bleiben unplatziert, mit widersprüchlichen Interpretationen bezüglich ihrer Affinität. Ein Fossil, dessen Klassifizierung unbekannt ist, wird als incertae sediis bezeichnet, lateinisch für „unsichere Platzierung“.
Fossile Organismen, die schwer zu klassifizieren sind, sind am zahlreichsten seit den Anfängen des vielzelligen Lebens, während der Edikaran- und Kambrium-Periode. Vielzelliges Leben entstand im Ediacara vor etwa 600 Millionen Jahren. Fossilien aus dieser Zeit sind so primitiv, dass es schwer zu sagen ist, was sie sind. Einer dieser fossilen Organismen ist Cloudina, einer der ersten biomineralisierenden Organismen, von denen nur noch eine Kalkröhre übrig ist. Verschiedene Experten für fossile Organismen nennen ihn entweder einen primitiven Schwamm, ein korallenähnliches Nesseltier (Verwandtschaft mit Quallen) oder sogar einen frühen segmentierten Wurm.
Die fossilen Organismen der Ediacara-Biota gehören zu den mysteriösesten, weil es so viele von ihnen gibt und es wenig Konsens über die Klassifizierung einiger weniger gibt. Die Ediacara-Biota umfasste die ersten bekannten vielzelligen Ökosysteme und bestand, wie bereits erwähnt, aus verschiedenen mit Flüssigkeit gefüllten Taschen, Wedeln und Matratzen mit einem charakteristischen Steppmuster. Ein ikonisches Mitglied der Edicaran-Biota, Charnia, sieht ein bisschen aus wie ein modernes Nesseltier, der See-Stift, was einige Wissenschaftler dazu veranlasst, die Edicaran-Biota als Nesseltiere ohne Nesselzellen zu klassifizieren, aber andere Forscher nennen sie Flechten, Pilze, riesige Protisten, basale Metazoen, Bakterienkolonien und mehr. Die Frage ist noch ungeklärt.
Andere fossile Organismen, deren Klassifizierung eine Herausforderung darstellte, stammen aus dem Kambrium, das unmittelbar nach dem Ediacara auftrat. Eine der berühmtesten ist die räuberische, garnelenartige Kreatur Anomalocaris, deren Bestandteile einst als drei verschiedene Organismen galten. Anfangs dachte man, einer seiner abgetrennten „Arme“ gehörte zu einem Krebstier, sein Mund in Form einer Ananasscheibe wurde mit einer Qualle verwechselt und sein Körper wurde als Schwamm eingestuft. Erst 1985 erkannten Wissenschaftler, dass es sich um Teile eines räuberischen Proto-Arthropoden handelte, dem größten bekannten kambrischen Raubtier mit einer Länge von bis zu einem Meter.
Andere fossile Organismen, die sich als schwierig zu klassifizieren erwiesen haben, sind das Kambrium Wiwaxia, Opabina, Odontogriphus und viele andere. Nach dem Kambrium siedelten sich viele Organismen in etablierten Stämmen an und lassen sich leichter klassifizieren.