Τα μεταβατικά απολιθώματα είναι τα απολιθώματα μεταβατικών μορφών ζωής που αντιπροσωπεύουν μια εξελικτική γέφυρα μεταξύ δύο αναγνωρισμένων ομάδων. Τα μεταβατικά απολιθώματα είναι από τα ισχυρότερα στοιχεία υπέρ της θεωρίας του Δαρβίνου για την εξέλιξη και τη φυσική επιλογή, αλλά δεν αναγνωρίζονται επαρκώς. Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι υπάρχουν περισσότερα κενά στο μεταβατικό αρχείο απολιθωμάτων από όσα υπάρχουν στην πραγματικότητα. Στην πραγματικότητα, είναι γνωστές εκατοντάδες σημαντικές μεταβατικές μορφές.
Ένα από τα πρώτα προφανή μεταβατικά απολιθώματα είναι το Pikaia gracilens, ένας απλοϊκός οργανισμός που μοιάζει με λόγχη που βρέθηκε στον σχιστόλιθο Burgess (πριν από 505 εκατομμύρια χρόνια) καθώς και στις οροσειρές Flinders στην Αυστραλία (πριν από 560 εκατομμύρια χρόνια). Τα Πικάκια είναι ένα μεταβατικό απολίθωμα μεταξύ των ασπόνδυλων και των σπονδυλωτών (Chordata), που εμφανίζει μια πρωτόγονη νωτιαία χορδή, τον πρόδρομο μιας ραχοκοκαλιάς. Το Pikakia είχε κατά μέσο όρο μήκος 1 1/2 ίντσα (5 cm) και κολύμπησε πάνω από τον πυθμένα της θάλασσας, όπου πιθανότατα έτρωγε μικροπανίδα και σωματίδια τροφής. Τα Πικάκια απολιθώνονται σχετικά φτωχά, με μόνο 60 δείγματα να έχουν βρεθεί μέχρι στιγμής.
Ένα μεταγενέστερο μεταβατικό απολίθωμα είναι το ψάρι με πτερύγια λοβού Tiktaalik, ένα πρωτοτετράποδο που έζησε περίπου 375 εκατομμύρια χρόνια πριν, κατά την ύστερη περίοδο του Devonian. Τα πτερύγια Tiktaalik εμφανίζουν βασικά οστά του καρπού και απλά δάχτυλα, δείχνοντας ότι είχαν βάρος και ότι το ζώο τουλάχιστον συμμετείχε σε περιορισμένες επιδρομές στη στεριά. Το Tiktaalik θεωρείται ένα μεταβατικό απολίθωμα μεταξύ ψαριών και τετράποδων. Επειδή εμφανίζει χαρακτηριστικά και των δύο, το Tiktaalik και παρόμοια απολιθώματα έχουν ονομαστεί “ψαρόποδα”.
Ένα άλλο μεταβατικό απολίθωμα, ένα από τα πιο διάσημα, είναι το Archaeopteryx, μεταβατικό μεταξύ πτηνών και δεινοσαύρων. Ο Αρχαιοπτέρυξ έζησε πριν από 155–150 εκατομμύρια χρόνια, κατά την ύστερη Ιουρασική περίοδο. Ο πρώτος πλήρης σκελετός ανακοινώθηκε το 1862 και το είδος έγινε ένα βασικό στοιχείο που χρησιμοποιήθηκε για την υπεράσπιση της θεωρίας της εξέλιξης στα σπάργανά της. Ο Αρχαιοπτέρυξ θα μπορούσε να φτάσει τα 0.5 μέτρα (1.6 πόδια) σε μήκος και παρά την επιφανειακή του ομοιότητα με τα πουλιά, στην πραγματικότητα έχει περισσότερα κοινά με μικρούς μικρούς δεινόσαυρους θηρόποδα.
Έχουν βρεθεί πολλά μεταβατικά απολιθώματα μεταξύ των ανθρώπων και των άμεσων προγόνων μας, των χιμπατζήδων. Επειδή αυτά τα είδη έζησαν σχετικά πρόσφατα, μόνο τα τελευταία εκατομμύρια χρόνια, αυτά τα απολιθώματα τείνουν να διατηρούνται καλύτερα από τα πιο αρχαία. Ο Homo habilis και ο Homo erectus είναι δύο κοινά παραδείγματα τέτοιων μεταβατικών απολιθωμάτων και μας λένε πολλά για την εξέλιξη των ανθρωποειδών.