Ibland gräver paleontologer upp fossiler som är svåra att klassificera. Vissa fossiler är så kryptiska att det inte ens finns någon överenskommelse om vilken djurgrupp de tillhör. Vissa, som Vendozoa, mystiska quiltade ”madrasser” och väskor från Ediacaran-perioden, för cirka 600 till 542 miljoner år sedan, har preliminärt tilldelats sina egna phyla. Andra förblir oplacerade, med motstridiga tolkningar av deras affinitet. Ett fossil vars klassificering är okänd kallas incertae sediis, latin för ”osäker placering”.
Fossila organismer som är svåra att klassificera är mest talrika från det flercelliga livets början, under de edicara och kambriska perioderna. Flercelligt liv uppstod i Ediacaran för cirka 600 miljoner år sedan. Fossiler från denna tid är så primitiva att det är svårt att säga vad de är. En av dessa fossila organismer är Cloudina, en av de första biomineraliserande organismerna, av vilken endast ett kalkhaltigt rör finns kvar. Olika experter på fossila organismer kallar det antingen en primitiv svamp, en korallliknande cnidarian (släkting till maneter), eller till och med en tidig segmenterad mask.
De fossila organismerna i Ediacaran-biotan är bland de mest mystiska, eftersom det finns så många av dem och det finns liten konsensus om klassificeringen av några utom ett fåtal. Ediacaran-biotan omfattade de första kända flercelliga ekosystemen och bestod som tidigare nämnt av olika vätskefyllda påsar, blad och madrasser med ett karakteristiskt quiltmönster. En ikonisk medlem av Edicaran-biotan, Charnia, ser lite ut som en modern cnidarian, havspennan, vilket leder till att vissa forskare klassificerar Ediacaran-biota som cnidarians utan stickande celler, men andra forskare kallar dem lavar, svampar, jätteprotister, basala metazoer, bakteriekolonier och mer. Frågan är fortfarande olöst.
Andra fossila organismer som har varit en utmaning att klassificera kommer från den kambriska perioden, som inträffade omedelbart efter Ediacaran. En av de mest kända är den rovräkliknande varelsen Anomalocaris, vars beståndsdelar en gång troddes vara tre distinkta organismer. Till en början troddes en av dess fristående ”armar” tillhöra ett kräftdjur, dess mun, formad som en ananasskiva, förväxlades med en manet och dess kropp klassificerades som en svamp. Det var inte förrän 1985 som forskare insåg att dessa var delar av en predatorisk proto-leddjur, den största kända kambriska rovdjuren på upp till en meter lång.
Andra fossila organismer som har visat sig svåra att klassificera inkluderar Cambrian Wiwaxia, Opabina, Odontogriphus och många andra. Efter kambrium sätter sig många organismer i väletablerade phyla och blir lättare att klassificera.