化石化作用是指隨着沉積物變成岩石的成岩作用，埋藏在沉積物中的生物遺體而經歷了物理作用和化學作用的改造，但是仍然保留着生物面貌及部分生物結構的作用。化石化作用有三種方式：
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以後留下了中空的部分，在地層下被埋藏日久以後，溶解在地下水中的礦物質（主要是碳酸鈣）往往在其孔隙中經重結晶作用變成了較爲緻密、堅實、並且增加了重量的實體化石。
交替作用：生物硬體的組成物質在埋藏情況下被逐漸溶解，再由外來礦物質逐漸補充替代的過程。在這個過程中，如果溶解和交替速度相等，而且以分子相交換，就可以保存原來的細微結構。如硅化木。常見的交替物質有二氧化硅、方解石、白雲石、黃鐵礦等，相應的過程就可以叫做硅化、方解石化、白雲石化和黃鐵礦化。
升餾作用：古生物遺體在被埋藏之後，不穩定成分分解、可揮發物質往往首先揮發消失，最後只留下碳質薄膜而保存下來的過程。這個過程也稱爲“炭化”。
以上三種方式，都保留了生物遺體的部分結構，使得生物面貌得以保留。