Fosilele de tranziție sunt fosilele formelor de viață tranziționale reprezentând o punte evolutivă între două grupuri recunoscute. Fosilele de tranziție sunt printre cele mai puternice dovezi în favoarea teoriei evoluției și selecției naturale a lui Darwin, dar sunt insuficient recunoscute. Mulți oameni cred că există mai multe lacune în înregistrarea fosilelor de tranziție decât există de fapt. În realitate, se cunosc sute de forme importante de tranziție.
Una dintre primele fosile evidente de tranziție este Pikaia gracilens, un organism simplist asemănător lancetei găsit în șistul Burgess (acum 505 milioane de ani), precum și în Flinders Ranges din Australia (acum 560 de milioane de ani). Pikakia este o fosilă de tranziție între nevertebrate și vertebrate (Chordata), prezentând o notocordă primitivă, precursorul unei coloane vertebrale. Pikakia avea o lungime medie de 1 1/2 inci (5 cm) și a înotat deasupra fundului mării, unde probabil a mâncat microfaună și particule de hrană. Pikakia se fosilizează relativ slab, doar 60 de exemplare fiind găsite până acum.
O fosilă de tranziție ulterioară este peștele cu aripioare lobe Tiktaalik, un proto-tetrapod care a trăit cu aproximativ 375 de milioane de ani în urmă, în perioada Devonianului târziu. Înotătoarele Tiktaalik prezintă oase de bază ale încheieturii mâinii și degete simple, arătând că suportă greutate și că animalul s-a angajat cel puțin în incursiuni limitate pe uscat. Tiktaalik este considerată o fosilă de tranziție între pești și tetrapode. Deoarece prezintă caracteristicile ambelor, Tiktaalik și fosilele similare au fost denumite „fishapods”.
O altă fosilă de tranziție, una dintre cele mai faimoase, este Archaeopteryx, de tranziție între păsări și dinozauri. Archaeopteryx a trăit acum 155–-150 de milioane de ani, în perioada Jurasicului târziu. Primul schelet complet a fost anunțat în 1862, iar specia a devenit o dovadă cheie folosită pentru a apăra teoria evoluției la începutul ei. Archaeopteryx ar putea crește până la 0.5 m (1.6 ft) în lungime și, în ciuda similitudinii sale superficiale cu păsările, are de fapt mai multe în comun cu micii dinozauri teropode.
Au fost găsite multe fosile de tranziție între oameni și strămoșii noștri imediati, cimpanzeii. Deoarece aceste specii au trăit relativ recent, doar în ultimele câteva milioane de ani, aceste fosile tind să fie mai bine conservate decât cele mai vechi. Homo habilis și Homo erectus sunt două exemple comune de astfel de fosile de tranziție și ne spun multe despre evoluția hominidelor.