化石化作用是指隨著沉積物變成岩石的成岩作用，埋藏在沉積物中的生物遺體經歷物理作用和化學作用的改造，但仍然保留著生物面貌及部分生物結構的過程。化石化作用主要包括以下幾種方式：
礦物質填充作用。某些無脊椎動物貝殼或脊椎動物骸骨中的有機物分解消失後，留下中空的部分，這些孔隙隨後被溶解在地下水中的礦物質填充，從而形成實體化石。
交替作用。生物硬體中的組成物質在埋藏後被逐漸溶解，再由外來礦物質逐漸補充替代，如果溶解和交替速度相等，並以分子相互交換，則可以保存生物原有的細微結構。
升餾作用。生物遺體在被埋藏後，不穩定成分分解，可揮發物質首先揮發消失，最終只留下碳質薄膜而保存下來。
此外，化石化作用還包括炭化作用，即生物遺體易於揮發的成分被溶解或揮發逸去，僅留下炭質薄膜保存為化石。