El fósil más antiguo que se conoce es un estromatolito (que significa «roca colchón» en griego) que data de hace 2.74 mil millones de años. Un estromatolito es una estructura de acreción en capas que se crea cuando las bacterias, especialmente las cianobacterias fotosintéticas, atrapan capas de sedimento entre las biopelículas que crean.
Las estromalitas vienen en una variedad de formas y tamaños diferentes, incluidos conos, columnas y tipos de ramificación. Durante mucho tiempo se pensó que los estromatolitos no existían en el presente (demasiados organismos de pastoreo), hasta que se descubrieron en ecosistemas aislados y altamente salinos como Shark Bay y Lake Thetis en Australia y Cuatro Ciénegas en México. Al igual que los cangrejos herradura, debido a su edad, los estromatolitos se consideran «fósiles vivientes».
El fósil de estromatolitos más antiguo conocido es casi cinco veces más antiguo que el fósil más antiguo de un organismo multicelular, que se remonta a hace unos 600 millones de años. Hay algunas formaciones similares a estromalitas incluso más antiguas que datan incluso más atrás de 2.74 mil millones de años, también candidatas para el fósil más antiguo, pero ninguna ha sido confirmada por la comunidad científica.
Los estromatolitos son signos de los organismos que pueden haber tenido un papel más importante en el cambio de la Tierra que cualquier otro organismo: las cianobacterias. Estas bacterias fotosintéticas convirtieron el dióxido de carbono en oxígeno a gran escala, cambiando la composición de la atmósfera y provocando la llamada «catástrofe del oxígeno» que habría matado a muchos de los otros organismos vivos en ese momento, para los cuales el oxígeno era venenoso.
Hay estructuras similares a estromatolitos no biológicos que pueden confundirse con el fósil más antiguo conocido, pero no significan nada más que la precipitación de cristales diminutos. Estos no se han observado hoy, pero se cree que las condiciones en los océanos del pasado pueden haber estado maduras para su creación.
Los fósiles de animales más antiguos que se conocen no aparecen hasta el período del Ediacara Medio, hace unos 600 millones de años. Estos incluyen una variedad de esponjas simples, cnidarios (como las hidras modernas) e incluso bilaterales simples (organismos con simetría bilateral) que se asemejan a pequeños globos. Estos animales surgieron poco después de la mayor Edad de Hielo en la historia del planeta, lo que provocó que se formaran glaciares al nivel del mar en el ecuador.