在地质学上化石也有着重要的意义。①有些化石，其特征显著、延续时间较短而分布范围较广,并且数量多而较易发现,常常可以作为划分对比地层的重要依据。这些化石被称为标准化石；②不同的生物或生物组合中，有些对生活环境、生存的自然地理条件有较严格的要求。根据这些生物所形成的化石往往可以相当准确地推断出当时各地的环境条件。这种化石被视为指相化石。以上两种化石也可以笼统称为标志化石；③在地层学中可以用来作为划分最小地层单位的生物带的依据的化石称为带化石；④有些化石延续时间很长，被称为持久化石，相关的生物叫做进化缓慢型生物；⑤1933年中国学者马廷英在前人对现代珊瑚工作的基础上，首先提到古生代四射珊瑚外壁上有反映气候季节变化的生长线。1963年美国古生物学家J.W.威尔斯根据古生代珊瑚的生长纹、生长带的数目，计算出当时一年的天数和每天的小时数，和一年的月数等。这些化石被人们称为古生物钟或化石钟。
在某些被认为是标准化石的生物类别或属、种，有时常出人意料地，在其大量出现前或认为已绝灭后，出现于较古老或较新地质时代的地层中，前者被称为前驱，而后者被称为孑遗。这是一对通用词，而不是一个科学名词，只一般的表示了某些生物种类在其同类繁荣前或绝灭后而超前出现或拖后绝灭的事实，但也有时却只是表示古生物学家当时的认识水平，或由于化石记录保存的不完整性或由于工作和研究程度不够而产生的错觉。例如，直到20世纪中叶通常认为正笔石类在志留纪末已经绝灭，当人们在个别地点的泥盆纪地层中偶然发现了极少量的单笔石类化石时，这些单笔石类就被称为孑遗。但是60年代以来，在世界各地普遍发现泥盆纪单笔石类化石，这就从根本上改变了人们对正笔石类在志留纪末已绝灭的结论，泥盆纪的单笔石类再也不称为孑遗了。可以认为，在地史上的某一时期，曾大量繁殖并广泛分布的某一生物门类，在其主体部分绝灭后，仅有极少量的生物分布于某些局限地区叫做孑遗。例如三叶虫曾被认为在古生代末已经全部绝灭了，不过近年却在个别地区的三叠纪地层中发现了三叶虫化石。目前这些三叶虫可以被称为孑遗。中国的大熊猫、四不象都可以叫做孑遗。
在以化石来推断古环境和划分对比地层时，必须注意的一个问题是排除次生化石的干扰。次生化石或称衍生化石，指化石形成后，由于地质营力作用，把这些化石从地层中剥离出，再次沉积到较新地质时代的沉积物中，然后与较新地质时代的生物遗体一起固结成岩。这就时常造成地质学家或古生物学家的困惑。也有相反的情况,在较新地质时代如第三纪和第四纪土状堆积中,常有现代啮齿动物的洞穴，并有其死亡后的遗骨。如果再经历千百万年，经固结成岩石，它们也会形成化石，这在某种意义上也属于次生化石之例。在古喀斯特地区也有这种情况出现。
在用化石推断环境或地层年代时，常因化石保存的完整程度及化石种类等诸多因素的影响，而不能轻易作出判断，如大象的门齿就对断定年代、判断环境等起不了很大作用，因为从中新世到更新世，大约2000多万年时间内的许多象类都有大象牙，其大象牙随年龄而增大，到第四纪在北方的猛犸象与南方的印度象等都生有类似的大象牙。如果发现象的臼齿化石，而且保存完好，其确定地质年代的作用就比较大。对于任何一种化石的意义，只有通过专家的判断和实践的验证才能最终确定。