A veces, los paleontólogos desentierran fósiles que son difíciles de clasificar. Algunos fósiles son tan crípticos que ni siquiera hay un acuerdo sobre a qué filo animal pertenecen. A algunos, como los Vendozoa, misteriosos «colchones» acolchados y bolsas del período ediacárico, hace unos 600 a 542 millones de años, se les ha asignado provisionalmente sus propios filos. Otros permanecen sin ubicar, con interpretaciones contradictorias en cuanto a su afinidad. Un fósil cuya clasificación se desconoce se conoce como incertae sediis, en latín «ubicación incierta».
Los organismos fósiles que son difíciles de clasificar son más numerosos desde los albores de la vida multicelular, durante los períodos edicarano y cámbrico. La vida multicelular surgió en el Ediacárico, hace unos 600 millones de años. Los fósiles de esta época son tan primitivos que es difícil saber cuáles son. Uno de estos organismos fósiles es Cloudina, uno de los primeros organismos biomineralizadores, del que solo queda un tubo calcáreo. Varios expertos en organismos fósiles lo llaman una esponja primitiva, un cnidario parecido a un coral (pariente de las medusas) o incluso un gusano segmentado temprano.
Los organismos fósiles de la biota de Ediacara se encuentran entre los más misteriosos, porque hay muchos de ellos y hay poco consenso sobre la clasificación de algunos salvo unos pocos. La biota de Ediacara comprendió los primeros ecosistemas multicelulares conocidos y, como se dijo anteriormente, consistió en varias bolsas llenas de líquido, frondas y colchones con un patrón acolchado característico. Un miembro icónico de la biota edicara, Charnia, se parece un poco a un cnidario moderno, la pluma de mar, lo que lleva a algunos científicos a clasificar la biota edicara como cnidarios sin células urticantes, pero otros investigadores los llaman líquenes, hongos, protistas gigantes, basales. metazoos, colonias bacterianas y más. La cuestión sigue sin resolverse.
Otros organismos fósiles cuya clasificación ha sido un desafío provienen del período Cámbrico, que ocurrió inmediatamente después del Ediacara. Uno de los más famosos es la criatura depredadora parecida a un camarón Anomalocaris, cuyas piezas constituyentes alguna vez se pensó que eran tres organismos distintos. Inicialmente, se pensó que uno de sus «brazos» desprendidos pertenecía a un crustáceo, su boca, con forma de rodaja de piña, se confundió con una medusa y su cuerpo se clasificó como una esponja. No fue hasta 1985 que los científicos se dieron cuenta de que se trataba de partes de un protoartrópodo depredador, el depredador cámbrico más grande conocido de hasta un metro de largo.
Otros organismos fósiles que han resultado difíciles de clasificar incluyen el Wiwaxia cámbrico, Opabina, Odontogriphus y muchos otros. Después del Cámbrico, muchos organismos se asientan en filos bien establecidos y se vuelven más fáciles de clasificar.