ซากดึกดำบรรพ์ หรือ ฟอสซิล (อังกฤษ: fossil) คำว่า ฟอสซิล มีความหมายเดิมว่า เป็นของแปลกที่ขุดขึ้นมาได้จากพื้นดิน แต่ในปัจจุบันถูกนำมาใช้ในความหมายของซากหรือร่องรอยของสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ที่ถูกแปรสภาพด้วยกระบวนการเกิดซากดึกดำบรรพ์และถูกเก็บรักษาไว้ในชั้นหิน โดยอาจประกอบไปด้วยซากเหลือของสัตว์ พืช หรือกลุ่มของสิ่งมีชีวิตอื่นใด ๆ ที่ได้รับการจัดแบ่งจำแนกไว้ทางชีววิทยา และรวมถึงร่องรอยต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตนั้น ๆ

ซากดึกดำบรรพ์มีหลายชนิด อาจเป็นสิ่งที่มีความคงทนยากต่อการทำลาย เช่น ฟัน กระดูก หรือ เปลือก แต่ในบางสภาวะ อาจมีการเก็บรักษาซากสัตว์ทั้งตัวให้คงอยู่ได้ เช่น ช้างแมมมอธ ที่ไซบีเรีย

การเปลี่ยนแปลงจากซากสิ่งมีชีวิตมาเป็นซากดึกดำบรรพ์นั้น เกิดได้ในหลายลักษณะ โดยที่เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง ส่วนต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตจะค่อย ๆ ถูกเปลี่ยน ช่องว่าง โพรง หรือรูต่าง ๆ ในโครงสร้างอาจมีแร่เข้าไปตกผลึกทำให้แข็งขึ้น เรียกกระบวนการนี้ว่าการกลายเป็นหิน (petrification) หรือ เนื้อเยื่อ ผนังเซลล์ และส่วนแข็งอื่น ๆ ถูกแทนที่ด้วยแร่ โดยกระบวนการแทนที่ (replacement)

เปลือกหอยหรือสิ่งมีชีวิตที่จมอยู่ตามชั้นตะกอน เมื่อถูกละลายไปกับน้ำบาดาล จะเกิดเป็นรอยประทับอยู่บนชั้นตะกอน ซึ่งเรียกลักษณะนี้ว่า รอยพิมพ์ (mold) หากว่าช่องว่างนี้มีแร่เข้าไปตกผลึก จะได้ซากดึกดำบรรพ์ ในลักษณะที่เรียกว่ารูปหล่อ (cast)

การเพิ่มคาร์บอน (carbonization) มักเป็นการเก็บรักษาซากดึกดำบรรพ์จำพวกใบไม้หรือสัตว์เล็ก ๆ ในลักษณะที่มีตะกอนเนื้อละเอียดมาปิดทับซากสิ่งมีชีวิต เมื่อเวลาผ่านไป ความดันที่เพิ่มขึ้น ทำให้ส่วนประกอบที่เป็นของเหลวและก๊าซถูกขับออกไป เหลือไว้แต่แผ่นฟิล์มบาง ๆ ของคาร์บอน หากว่าฟิล์มบาง ๆ นี้หลุดหายไป ร่องรอยที่ยังหลงเหลืออยู่ในชั้นตะกอนเนื้อละเอียดจะเรียกว่า impression

สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่มีลักษณะบอบบาง เช่นพวกแมลง การเก็บรักษาให้กลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ โดยปกติทำได้ยาก วิธีการที่เหมาะสม สำหรับสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ ก็คือการเก็บไว้ในยางไม้ ซึ่งยางไม้นี้จะป้องกันสิ่งมีชีวิตเหล่านี้จากการทำลายโดยธรรมชาติ

นอกจากที่กล่าวมาทั้งหมดแล้ว ซากดึกดำบรรพ์ยังอาจเป็นร่องรอย ที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต เช่น ร่องรอยของสิ่งมีชีวิต รอยคืบคลาน รอยตีน ที่อยู่ในชั้นตะกอนและกลายเป็นหินในระยะเวลาต่อมา หรืออาจเป็นช่อง รู โพรง (burrows) ในชั้นตะกอน ในเนื้อไม้ หรือในหินที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต และมีแร่ไปตกผลึกในช่องเหล่านี้ มูลสัตว์หรือเศษอาหารที่อยู่ในกระเพาะ (coprolites) เป็นซากดึกดำบรรพ์ ที่มีประโยชน์ในการบอกถึงนิสัยการกินของสัตว์นั้น ๆ หรืออาจเป็นก้อนหินที่สัตว์กินเข้าไป (gastroliths) เพื่อช่วยในการย่อยอาหาร และสามารถเป็นแบบอย่างได้

ซากดึกดำบรรพ์สามารถจำแนกออกเป็นประเภทต่าง ๆ ได้หลายลักษณะ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าจะใช้หลักเกณฑ์อะไรเป็นบรรทัดฐาน การพยายามจำแนกตามหลักอนุกรมวิธานตามแบบชีววิทยา อาจพบกับข้อจำกัด เนื่องจากส่วนใหญ่แล้วซากดึกดำบรรพ์มักเป็นส่วนซากเหลือจากการผุพังสลายตัว ส่วนใหญ่เป็นส่วนที่แข็ง มีความทนทานต่อการผุพังสลายตัวสูงกว่าส่วนที่เป็นเนื้อเยื่ออ่อนนุ่ม เช่น กระดูก ฟัน กระดอง เปลือก และสารเซลลูโลสของพืชบางส่วน อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สอดคล้องกับประเภทนักวิจัยซากดึกดำบรรพ์ (นักบรรพชีวินวิทยา) ในปัจจุบัน ในที่นี้จะจำแนกซากดึกดำบรรพ์ออกเป็น 3 ประเภท คือ

1. ซากดึกดำบรรพ์สัตว์
   • ซากดึกดำบรรพ์สัตว์มีกระดูกสันหลัง
   • ซากดึกดำบรรพ์สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง
2. ซากดึกดำบรรพ์พืช
   • ซากดึกดำบรรพ์ไม้กลายเป็นหิน
   • ซากดึกดำบรรพ์ใบไม้
   • ซากดึกดำบรรพ์ดอก
   • ซากดึกดำบรรพ์ทางเรณูวิทยา
   • ซากดึกดำบรรพ์ผลไม้
   • ซากดึกดำบรรพ์เมล็ด
3. ซากดึกดำบรรพ์ร่องรอย

เมื่อศึกษาจำนวนซากดึกดำบรรพ์ที่พบได้ พบว่ามีปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณสิ่งมีชีวิตทั้งหลายที่เคยมีชีวิตอยู่ในโลก ซากสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ถูกทำลายไปตามธรรมชาติ ดังนั้นการเก็บรักษาซากสิ่งมีชีวิตจนกระทั่งกลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ จึงมีความจำเป็นที่จะต้องมีสภาวะที่พิเศษ ซึ่งได้แก่ การตกลงตัวและถูกเก็บรักษาไว้อย่างรวดเร็ว เพื่อเป็นการป้องกันการถูกทำลายจากธรรมชาติ และ การที่ต้องมีส่วนที่แข็งของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นส่วนที่ถูกเก็บรักษาได้ง่ายกว่าส่วนที่นิ่ม

ซากดึกดำบรรพ์ที่พบในหิน มีความสำคัญอย่างมาก มันแสดงให้เห็นถึงวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ ใช้เป็นตัวกำหนดอายุของหิน และนำมาใช้เป็นหลักฐานในการหาความสัมพันธ์ของชั้นหินในบริเวณต่าง ๆ สิ่งที่นักธรณีวิทยาสนใจเป็นพิเศษ เกี่ยวกับการนำซากดึกดำบรรพ์ มาเป็นตัวกำหนดอายุของหิน คือ ซากดึกดำบรรพ์ดัชนี (index fossils) ซึ่งเป็นซากของสิ่งมีชีวิตที่เคยมีชีวิตอยู่ในโลก มีการแพร่กระจายอยู่ทั่วไป แต่มีชีวิตอยู่ในช่วงสั้น ๆ ซึ่งการที่พบซากดึกดำบรรพ์ดรรชนีในชั้นหินต่างบริเวณกัน นักธรณีวิทยาสามารถกำหนดได้ว่าหินที่พบซากดึกดำบรรพ์ดรรชนีเหล่านั้นมีอายุในช่วงเดียวกัน แต่อย่างไรก็ดี ในชั้นหินต่าง ๆ อาจพบซากดึกดำบรรพ์ดรรชนีได้ยาก ดังนั้นอาจจำเป็นต้องใช้กลุ่มของซากดึกดำบรรพ์ ในการหาความสัมพันธ์ของชั้นหินในบริเวณต่าง ๆ ซึ่งจะมีความแม่นยำกว่าการใช้ซากดึกดำบรรพ์เพียงชนิดเดียว

นอกจากประโยชน์ที่ใช้ในการหาความสัมพันธ์ของชั้นหินแล้ว ซากดึกดำบรรพ์ยังถูกนำมาใช้ในการบอกถึงสภาพแวดล้อมของการสะสมตัวของตะกอนด้วย ถึงแม้ว่าสภาพแวดล้อมการสะสมตัวอาจได้จากการศึกษารายละเอียดจากชั้นหิน แต่ซากดึกดำบรรพ์อาจให้รายละเอียดที่มากกว่า

การบอกอายุของซากดึกดำบรรพ์ สามารถบอกได้ 2 แบบคือ

อายุเปรียบเทียบ (อังกฤษ: relative age) คืออายุทางธรณีวิทยาของซากดึกดำบรรพ์ หิน ลักษณะทางธรณีวิทยา หรือเหตุการณ์ทางธรณีวิทยา เมื่อเปรียบเทียบกับซากดึกดำบรรพ์ หิน ลักษณะทางธรณีวิทยา หรือเหตุการณ์ทางธรณีวิทยาอื่น ๆ แทนที่จะบ่งบอกเป็นจำนวนปี ดังนั้นการบอกอายุของหินแบบนี้จึงบอกได้แต่เพียงว่าอายุแก่กว่าหรืออ่อนกว่าหิน หรือซากดึกดำบรรพ์ อีกชุดหนึ่งเท่านั้น โดยอาศัยตำแหน่งการวางตัวของหินตะกอนเป็นตัวบ่งบอก (Index fossil) เป็นส่วนใหญ่ เพราะชั้นหินตะกอนแต่ละขั้นจะต้องใช้ระยะเวลาช่วงหนึ่งที่จะเกิดการทับถม เมื่อสามารถเรียงลำดับของหินตะกอนแต่ละชุดตามลำดับก็จะสามารถหาเวลาเปรียบเทียบได้ และจะต้องใช้หลักวิชาการทางธรณีวิทยา (Stratigraphy) ประกอบด้วย

การศึกษาเวลาเปรียบเทียบโดยอาศัยหลักความจริง มี อยู่ 3 ข้อคือ

1. กฎการวางตัวซ้อนกันของชั้นหินตะกอน (Law of superposition) ถ้าหินตะกอนชุดหนึ่งไม่ถูกพลิกกลับโดยปรากฏการณ์ทางธรรมชาติแล้ว ส่วนบนสุดของหินชุดนี้จะอายุอ่อนหรือน้อยที่สุด และส่วนล่างสุดจะมีอายุแก่หรือมากกว่าเสมอ

2. กฎของความสัมพันธ์ในการตัดผ่านชั้นหิน (Law of cross-cutting relationship) หินที่ตัดผ่านเข้ามาในหินข้างเคียงจะมีอายุน้อยกว่าหินที่ถูกตัดเข้ามา

3. การเปรียบเทียบของหินตะกอน (correlation of sedimentary rock) ศึกษาเปรียบเทียบหินตะกอนในบริเวณที่ต่างกันโดยอาศัย

ก. ใช้ลักษณะทางกายภาพโดยอาศัยคีย์เบด (key bed) ซึ่งเป็นชั้นหินที่มีลักษณะเด่นเฉพาะตัวของมันเอง และถ้าพบที่ไหนจะต้องสามารถบ่งบอกจดจำได้อย่างถูกต้องถึงว่าชั้นหินที่วางตัวอยู่ข้างบนและข้างล่างของคีย์เบดจะมีลักษณะแตกต่างกันออกไปในแต่ละบริเวณด้วย

ข. เปรียบเทียบโดยใช้ซากดึกดำบรรพ์ (correlation by fossil) มีหลักเกณฑ์คือ ในชั้นหินใด ๆ ถ้ามีซากดึกดำบรรพ์ที่เหมือนหรือคล้ายคลึงกันเกิดอยู่ในตัวของมันแล้ว ชั้นหินนั้น ๆ ย่อมมีอายุหรือช่วงระยะเวลาที่เกิด ใกล้เคียงกับซากดึกดำบรรพ์ที่สามารถใช้เปรียบเทียบได้ดี เป็นช่วงระยะเวลาสั้น ๆ แต่เกิดอยู่กระจัดกระจายเป็นบริเวณกว้างขวางมากที่สุด ฟอสซิลเหล่านี้เรียกว่า ไกด์ฟอสซิลหรือ อินเด็กฟอสซิล (guide or index fossil)

อายุสัมบูรณ์ (อังกฤษ: absolute age) หมายถึงอายุซากดึกดำบรรพ์ของหิน ลักษณะหรือเหตุการณ์ทางธรณีวิทยา (โดยมากวัดเป็นปี เช่น พันปี ล้านปี) โดยทั่วไปหมายถึงอายุที่คำนวณหาได้จากไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสี ขึ้นอยู่กับวิธีการและช่วงเวลาครึ่งชีวิต (Half life period) ของธาตุนั้น ๆ เช่น C-14 มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 5,730 ปี จะใช้กับหินหรือ fossil โบราณคดี ที่มีอายุไม่เกิน 50,000 ปี ส่วน U-238 หรือ K-40 จะใช้หินที่มีอายุมาก ๆ ซึ่งมีวิธีการที่สลับซับซ้อน ใช้ทุนสูง และแร่ที่มีปริมาณรังสีมีปริมาณน้อยมาก วิธีการนี้เรียกว่า การตรวจหาอายุจากสารกัมมันตภาพรังสี (radiometric age dating) การใช้ธาตุกัมมันตรังสีเพื่อหาอายุหิน หรือ ฟอสซิล นั้น ใช้หลักการสำคัญคือการเปรียบเทียบอัตราส่วนของธาตุกัมมันตรังสีที่เหลืออยู่ (End product) ที่เกิดขึ้นกับไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีตั้งต้น (Parent isotope) แล้วคำนวณโดยใช้เวลาครึ่งชีวิตมาช่วยด้วยก็จะได้อายุของชั้นหิน หรือ ซากดึกดำบรรพ์ นั้น ๆ เช่น

วิธีการ Uranium 238 - Lead 206 วิธีการ Uranium 235 - Lead 207

วิธีการ Potassium 40 - Argon 206 วิธีการ Rubidium 87- Strontium 87

วิธีการ Carbon 14 - Nitrogen 14

การหาอายุโดยใช้ธาตุกัมมันตรังสีมีประโยชน์ 2 ประการคือ

1. ช่วยในการกำหนดอายุที่แน่นอนหลังจากการใช้ fossil และ Stratigrapy แล้ว

2. ช่วยบอกอายุหรือเรื่องราวของยุคสมัย พรีแคมเบียน

• 
  ammonite ฟอสซิลจำนวน 3 ชิ้น, แต่ละชิ้นความกว้างประมาณ 1.5 ซม.
• 
  Eocene ฟอสซิลปลา Priscacara liops จาก Green River Formation ของ Wyoming
• 
  trilobite, Asaphus kowalewskii
• 
  Megalodon และ Carcharodontosaurus teeth. The latter was found in the Sahara Desert.
• 
  ฟอสซิล shrimp (Cretaceous)
• 
  Petrified wood in Petrified Forest National Park, Arizona
• 
  Petrified cone of Araucaria mirabilis from Patagonia, Argentina dating from the ยุคจูราสสิค (approx. 210 Ma)
• 
  ฟอสซิล gastropod จาก Pliocene ของ ไซปรัส. serpulid worm ติดอยู่
• 
  Silurian Orthoceras ฟอสซิล
• 
  Eocene ดอกไม้ฟอสซิลจากฟลอริแซนท์, โคโรลาโด
• 
  Micraster echinoid ฟอสซิลจากอังกฤษ
• 
  Productid brachiopod ventral valve; Roadian, Guadalupian (Middle Permian); Glass Mountains, เท็กซัส
• 
  Agatized ปะการัง จาก กลุ่มฮอร์ธอน (Oligocene–Miocene), ฟลอริดา. An example of preservation by replacement.
• 
  ฟอสซิลจากชายหาดของ ทะเลบอลติก บนเกาะของ กอตแลนด์, วางบนกระดาษสี่เหลี่ยม 7 มม. (0.28 นิ้ว)

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ ซากดึกดำบรรพ์

• ซากดึกดำบรรพ์ที่พบในประเทศไทย เก็บถาวร 2018-08-21 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน โดย สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชน
• ซากดึกดำบรรพ์และไดโนเสาร์ในประเทศไทย เก็บถาวร 2018-11-18 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน โดย กรมทรัพยากรธรณี