Dowodami bezpośrednimi (paleontologicznymi) są szczątki kopalne lub ślady działalności organizmów z minionych epok geologicznych, które pokryte warstwą osadów uległy skamienieniu (fosylizacji).
Wśród skamieniałości wyróżnia się:
– elementy szkieletowe, jak kości, muszle, zęby, zdrewniałe części roślin, np. kości dinozaurów, pnie kopalnych paprotników;
– odlewy w składach osadowych, np. odlewy muszli amonitów;
– odciski w skałach osadowych lub bryłach węglowych, np. odcisk praptaka, odciski paprotników;
– zakonserwowane okazy organizmów, np. owady lub nasiona i pyłki zakonserwowane w bursztynie (tzw. inkuzje), mamuty w wiecznej zmarzlinie, nosorożec włochaty w tzw. wosku ziemnym;
– inne ślady, np. skamieniałe jaja dinozaurów, skamieniałe odchody, ślady rycia w ziemi, odciski stóp, stromatolity.
W badaniach paleontologicznych istotną rolę odgrywają tzw. skamieniałości przewodnie, wykazujące szerokie rozprzestrzenienie geograficzne we względnie krótkim okresie geologicznym, np. ammonity, trylobity. Skamieniałości przewodnie wykorzystywane są do określania wieku skał.
Ważną rolę w paleontologii odgrywają też organizmy stanowiące formy pośrednie, których skamieniałości wskazują na pośrednie cechy między dwiema grupami systematycznymi, np. ichtiostega o cechach ryb i płazów, sejmuria o cechach płazów i gadów, praptak – gadów i ptaków.
W oznaczeniu wieku skamieniałości wykorzystywane są przede wszystkim metody stratygraficzne (względne określanie wieku skał), radiometryczne (wykorzystanie izotopów promieniotwórczych), dendrochronologiczne (liczenie słojów drzew), metody analizy pyłkowej (badanie pyłków roślin).