Fosil transisional adalah fosil bentuk kehidupan transisi yang mewakili jembatan evolusioner antara dua kelompok yang diakui. Fosil transisional adalah salah satu bukti terkuat yang mendukung teori evolusi dan seleksi alam Darwin, tetapi tidak cukup diakui. Banyak orang percaya bahwa ada lebih banyak celah dalam catatan fosil transisional daripada yang sebenarnya. Pada kenyataannya, ratusan bentuk transisi penting telah diketahui.
Salah satu fosil transisi pertama yang jelas adalah Pikaia gracilens, organisme seperti lanset sederhana yang ditemukan di serpih Burgess (505 juta tahun lalu) serta Pegunungan Flinders di Australia (560 juta tahun lalu). Pikakia adalah fosil transisi antara invertebrata dan vertebrata (Chordata), menampilkan notochord primitif, pendahulu tulang punggung. Pikakia memiliki panjang rata-rata 1 1/2 inci (5 cm), dan berenang di atas dasar laut, di mana kemungkinan besar ia memakan mikrofauna dan partikel makanan. Fosil Pikakia relatif buruk, dengan hanya 60 spesimen yang ditemukan sejauh ini.
Fosil transisi selanjutnya adalah ikan bersirip lobus Tiktaalik, proto-tetrapoda yang hidup kira-kira 375 juta tahun yang lalu, selama periode Devon akhir. Sirip Tiktaalik menampilkan tulang pergelangan tangan dasar dan jari-jari sederhana, menunjukkan bahwa mereka memiliki bobot, dan bahwa hewan itu setidaknya terlibat dalam upaya terbatas ke darat. Tiktaalik dianggap sebagai fosil peralihan antara ikan dan tetrapoda. Karena menampilkan karakteristik keduanya, Tiktaalik dan fosil serupa dijuluki “fishapods.”
Fosil peralihan lainnya, salah satu yang paling terkenal, adalah Archaeopteryx, peralihan antara burung dan dinosaurus. Archaeopteryx hidup 155–150 juta tahun yang lalu, selama periode Jurassic akhir. Kerangka lengkap pertama diumumkan pada tahun 1862, dan spesies tersebut menjadi bukti kunci yang digunakan untuk mempertahankan teori evolusi pada masa pertumbuhannya. Archaeopteryx bisa tumbuh hingga 0.5 m (1.6 kaki), dan meskipun mirip dengan burung, sebenarnya memiliki lebih banyak kesamaan dengan dinosaurus theropoda kecil kecil.
Banyak fosil peralihan antara manusia dan nenek moyang langsung kita, simpanse, telah ditemukan. Karena spesies ini hidup relatif baru, hanya dalam beberapa juta tahun terakhir, fosil-fosil ini cenderung terawetkan lebih baik daripada yang lebih purba. Homo habilis dan Homo erectus adalah dua contoh umum dari fosil transisional tersebut, dan mereka memberi tahu kita banyak tentang evolusi hominid.