Los fósiles de transición son los fósiles de formas de vida de transición que representan un puente evolutivo entre dos grupos reconocidos. Los fósiles de transición se encuentran entre las pruebas más sólidas a favor de la teoría de la evolución y la selección natural de Darwin, pero no se reconocen lo suficiente. Mucha gente cree que hay más lagunas en el registro fósil de transición de las que realmente hay. En realidad, se conocen cientos de formas transicionales importantes.
Uno de los primeros fósiles de transición obvios es Pikaia gracilens, un organismo simplista similar a lancetas que se encuentra en la lutita de Burgess (hace 505 millones de años), así como en Flinders Ranges en Australia (hace 560 millones de años). Pikakia es un fósil de transición entre los invertebrados y los vertebrados (Chordata), que muestra una notocorda primitiva, precursora de una columna vertebral. Pikakia medía un promedio de 1 1/2 pulgadas (5 cm) de largo y nadó sobre el fondo del mar, donde probablemente comió microfauna y partículas de comida. Pikakia se fosiliza relativamente mal, y hasta ahora solo se han encontrado 60 especímenes.
Un fósil de transición posterior es el pez Tiktaalik, un proto-tetrápodo que vivió hace aproximadamente 375 millones de años, durante el período Devónico tardío. Las aletas de Tiktaalik muestran huesos básicos de la muñeca y dedos simples, lo que muestra que soportan peso y que el animal al menos realizó incursiones limitadas a la tierra. Tiktaalik se considera un fósil de transición entre peces y tetrápodos. Debido a que muestra características de ambos, Tiktaalik y fósiles similares se han denominado «fishapods».
Otro fósil de transición, uno de los más famosos, es el Archaeopteryx, de transición entre aves y dinosaurios. Archaeopteryx vivió hace 155-150 millones de años, durante el período Jurásico tardío. El primer esqueleto completo se anunció en 1862, y la especie se convirtió en una pieza clave de evidencia utilizada para defender la teoría de la evolución en su infancia. Archaeopteryx podría crecer hasta 0.5 m (1.6 pies) de longitud y, a pesar de su similitud superficial con las aves, en realidad tiene más en común con los pequeños dinosaurios terópodos pequeños.
Se han encontrado muchos fósiles de transición entre los humanos y nuestros antepasados inmediatos, los chimpancés. Debido a que estas especies vivieron relativamente recientemente, solo en los últimos millones de años, estos fósiles tienden a estar mejor conservados que los más antiguos. Homo habilis y Homo erectus son dos ejemplos comunes de estos fósiles de transición y nos dicen mucho sobre la evolución de los homínidos.