Палеонтологические данные позволяют узнать о растительном и животном мире прошлого, реконструировать облик вымерших организмов, обнаружить связь между древнейшими и современными представителями флоры и фауны. Сопоставление ископаемых остатков из земных пластов разных геологических эпох позволяет установить последовательность возникновения и развития разных групп организмов. Например, в самых древних пластах находят остатки представителей типов беспозвоночных животных, а в более поздних пластах - уже и остатки хордовых. В еще более молодых геологических пластах содержатся остатки животных и растений, относящихся к видам, похожим на современные.
Палеонтологами были обнаружены формы организмов, сочетающие признаки более древних и более молодых групп. Такие ископаемые переходные формы служат доказательством эволюции, поскольку свидетельствуют об исторической связи разных групп организмов. Например, ископаемая первоптица археоптерикс - связующее звено между рептилиями и птицами. Археоптерикс имеет, как и рептилии, длинный хвост, несросшиеся позвонки, развитые зубы; как птица, он покрыт перьями, имеет крылья, частично пневматичные кости.
Другими примерами переходных форм являются кистеперые рыбы, связывающие рыб с вышедшими на сушу земноводными, семенные папоротники переходная форма между папоротниковидными и голосеменными.
Доказательством эволюции служат и палеонтологические ряды. Палеонтологами были найдены остатки ранее живших видов, которые связаны между собой родством, то есть свидетельствовали о происхождении одних видов от других.
Русский ученый В. О. Ковалевский, исследуя историю развития лошади, показал, что современные однопалые животные происходят от мелких пятипалых всеядных предков, живших в лесах 60-70 млн лет назад. Изменение климата Земли повлекло за собой сокращение площадей лесов и увеличение площадей степей. Животные оказались в новых условиях. Преобразование конечностей - уменьшение числа пальцев от пяти до одного - возникло в связи с необходимостью защиты от хищников и передвижения на большие расстояния в поисках пищи. К настоящему времени установлены палеонтологические ряды в эволюции слонов, носорогов, китов.