达尔文进化论的批评家经常指出，进化论缺乏化石证据。尽管化石在达尔文进化论发展过程中起到了重要的作用，但关键环节化石证据的缺失也曾令达尔文倍感头疼。在随同“小猎犬”号环球航行过程中，达尔文也曾经在南美搜集了许多奇怪的哺乳动物化石，并思考物种在进化过程中的变化情况。

    达尔文的同事和支持者们在纷纷寻找关于古代生命在进化过程中变化的证据，反对者们同时也在论证进化论的正确与否。以下就是能够证明达尔文的由自然选择产生的生命树观点的标准化石物种，这些奇怪的化石物种曾经让科学家们迷惑不解，不过最终也让他们对生命的进化历史有了更清晰地了解。
    1. 始祖鸟

始祖鸟
 

    从表面上看，始祖鸟似乎刚好在恰当的时刻出现从而证实了物种逐步进化的观点。这种远古动物被一些人认为是可以用来证明进化是一个经历了相当长时期的细微变化过程。很明显，始祖鸟是一种半爬行半鸟类的动物，它似乎恰好是达尔文所期望的那种证据。然而，达尔文在评估这种动物时仍然显得较为谨慎，他并没有把始祖鸟作为自己理论的直接证据，而只是将这种动物作为一个实例。

    英国著名生物学家托马斯-赫胥黎是达尔文进化论的一位坚定追随者。赫胥黎也对这一化石持谨慎态度，虽然赫胥黎也明显赞成如下假设：这种鸟是由较小的、恐龙状动物进化而来。尽管达尔文和赫胥黎心存疑虑，但始祖鸟仍然被广泛承认为最早的鸟类，并在关于鸟类起源的猜想中发挥了重要作用。
    2. 二齿兽

二齿兽
 

    19世纪30年代，一位名叫安德鲁-吉德斯-拜恩的苏格兰年轻人开始在非洲的岩石中寻找化石证据。他最初发现了一些动物的头骨，这些动物似乎并不符合分类学的一些标准，尤其是一种“两齿”动物在两条巨大的尖牙之间还长有一个与海龟类似的那种喙。1844年，拜恩将这种动物的头骨带到了英格兰。著名的解剖学家理查德-欧文将这种动物定性为类似哺乳动物的异常爬行动物，并将其命名为“二齿兽”。随后，又有许多人将发现的怪异化石送到了欧文那里，欧文因此收集了大量的爬行动物的化石，这些动物似乎打破了向哺乳动物进化过程中的种类界线。

    随着越来越古老的类似哺乳类动物的发现，如在美国西南部发现的有帆状背的异齿龙和基龙，它们最终被认为是哺乳动物与爬行类祖先之间的过度类型。然而，这些动物并不是真正意义上的“类哺乳动物的爬行动物”。如异齿龙肯定像爬行动物，但它们已经从所有爬行类动物的最后共同祖先那里分离出来，而且比任何爬行动物更接近早期的哺乳动物。
    3. 龙王鲸

    龙王鲸
 

    龙王鲸化石的发现比达尔文的《物种起源》一书发表时间还要早25年。关于鲸类的起源，科学家们一直争论不休，龙王鲸已经成为了鲸类起源争论的焦点。最初，科学家们把它看作是一种真正的鲸。1834年，美国博物学家理查德-哈尔兰对出土于阿拉巴马州种植园中的一组骨骼化石碎片进行了定性。它们很像是蛇颈龙和鱼龙的骨骼，因此哈尔兰将它看作是最大型的海洋爬行动物。

    几年后，理查德-欧文对哈尔兰的化石和新标本进行了全面的检测，最终证实这种动物确实是一种鲸。它与此前已知的任何鲸类都不相同，尤其是它还长有一组可怕的尖利牙齿。根据这一事实，赫胥黎认为，鲸类是由陆生食肉类动物进化而来。不过，龙王鲸已经是完全水生，很难提供这一演化过程的任何线索。直到20世纪80年代，古生物学家在印度和巴基斯坦境内4000万年前的岩石中发现最古老鲸类骨骼后，鲸类起源之谜才得以揭晓。这些鲸类并不是海洋哺乳动物，而是行走于陆地上的两栖动物。随着越来越多化石的发现，鲸类起源已由最大的进化谜团变成大规模进化过程的最佳例证。龙王鲸就是其中最早期的完全水生形态之一，大约生活于4000万年到3400万年前之间，其生活的远古海洋大约位于如今的埃及、巴基斯坦和美国南部的山区。
    4. 三趾马
 

三趾马
 

    在《物种起源》发表之后不久，法国古生物学家阿尔伯特-高德里开始在希腊皮克米地区寻找500万到2300万年前的动物化石。在那里，高德里发现了灵长类动物、古代长颈鹿、剑齿猫和其他一些怪异动物的化石，其中最重要的化石当属三趾马的化石。然而，高德里自己并不赞同自然选择理论。他利用这些化石绘制了一棵马类进化树，其中三趾马代表了古代祖先与现代一趾马的中间阶段。其他一些科学家在高德里的带领下建立起欧洲马类进化的顺序，从古代的貘样祖先到三趾马，再到现代的马类。这种顺序后来被更完善的化石证据所取代。但问题是，古生物学家不断发现越来越多的马类。从小型的始祖马到现代马类的一条进化直线图谱被广泛接受。这种“缺失的一环”不得不忽略许多间接的近亲。然而，近期的研究工作打乱了这种直线式的图谱。正如现在人们所理解的，三趾马并不是马类进化到现代马的中间阶段。
    5. 猛犸

猛犸
 

    猛犸已成为了进化理论的标志性动物。猛犸在西伯利亚当地语言中原意是指一种地下怪物。1796年，法国博物学家乔治-古维尔将猛犸的骨骼与现代生活的大象骨骼以及出土于美国的一块怪异化石进行了对比。古维尔发现，猛犸的骨骼完全不同，它们进化自一种独特的、已灭绝的大象。随着后来大地懒属动物和沧龙的发现，猛犸被证实为一种完全不同的史前世界动物。直到最近古生物学家才能够搞清楚它们进化的图谱。

    2005年的一项研究认为，猛犸应该位于进化分支的一个间歇性图谱中。故事应该是这样的：大约在250万年，一种最早期的猛犸欧洲猛犸开始向亚洲分散。但100万年后，这些猛犸的一个群体开始分离出去，形成了一个新的物种，即通常所说的草原猛犸。这两个物种一直并存生活，直到大约60万年前草原猛犸才开始大规模地取代它们的祖先。与祖先一样，草原猛犸也到处分散，又形成了两个新物种，即真猛犸和哥伦比亚猛犸。这些物种分化事件发生非常突然，新物种迅速出现并与祖先物种并存直到最终取代祖先物种。　
    6. 爪哇人

爪哇人
 

    虽然达尔文在《物种起源》一书中尽量避免直接讨论人类的进化，但所有人都知道他的思想适用于人类。然而在他完成这本著作时，还没有人类化石记录。直到19世纪60年代，穴居人骨骼才被发现并被科学界所认知，它们与人类的骨骼非常相似。发现于19世纪90年代初的化石也成就了一个新的名词“缺失的一环”，它们是由荷兰博物学家尤金-都波士在爪哇岛发现的。这些骨骼包括一个头盖骨、一根大腿骨和一颗牙齿，一些细节表明它们似乎介于猿类和人类之间的形态。

    都波士将这种形态称为爪哇直立猿人。这些骨骼化石引起了一场巨大的争论。一些科学家认为头盖骨应该属于一只长臂猿的，而腿骨则属于人类的腿骨。都波士则认为，所有这些骨骼都是属于一起的。后来因为某种只有他自己知道的原因，他于1900年拒绝公开这些化石。直到20世纪20年代，都波士才再次开放这些化石。此后不久，中国也发现了“北京人”骨骼化石。尽管叫法不同，但这些骨骼应该都归属于直立人。