Prehodni fosili so fosili prehodnih oblik življenja, ki predstavljajo evolucijski most med dvema priznanima skupinama. Prehodni fosili so med najmočnejšimi dokazi v prid Darwinovi teoriji evolucije in naravne selekcije, vendar so premalo priznani. Mnogi ljudje verjamejo, da je v prehodnem fosilnem zapisu več vrzeli, kot jih je v resnici. V resnici je znanih na stotine pomembnih prehodnih oblik.
Eden prvih očitnih prehodnih fosilov je Pikaia gracilens, poenostavljen organizem, podoben lanceti, ki so ga našli v skrilavcu Burgess (pred 505 milijoni let) in v gorovju Flinders v Avstraliji (pred 560 milijoni let). Pikakia je prehodni fosil med nevretenčarji in vretenčarji (Chordata), ki prikazuje primitivno notohordo, predhodnico hrbtenice. Pikakia je bila v povprečju dolga 1 1/2 palca (5 cm) in je plavala nad morskim dnom, kjer je verjetno jedla mikrofavno in delce hrane. Pikakia fosilizira razmeroma slabo, doslej so našli le 60 primerkov.
Kasnejši prehodni fosil je riba z režnjami plavuti Tiktaalik, prototetrapod, ki je živel pred približno 375 milijoni let, v poznem devonu. Tiktaalik plavuti prikazujejo osnovne kosti zapestja in preproste prste, kar kaže, da so nosile težo in da je žival vsaj v omejenih napadih na kopno. Tiktaalik velja za prehodni fosil med ribami in tetrapodi. Ker prikazuje značilnosti obeh, so Tiktaalik in podobne fosile poimenovali “ribopodi”.
Še en prehodni fosil, eden najbolj znanih, je arheopteriks, prehod med pticami in dinozavri. Archeopteryx je živel pred 155–150 milijoni let, v pozni jurski dobi. Prvo popolno okostje je bilo objavljeno leta 1862 in vrsta je postala ključni dokaz, ki se je uporabljal za obrambo teorije evolucije v povojih. Arheopteriks bi lahko zrastel do 0.5 m (1.6 ft) v dolžino in kljub svoji površinski podobnosti s pticami ima dejansko več skupnega z majhnimi majhnimi teropodnimi dinozavri.
Najdenih je bilo veliko prehodnih fosilov med človekom in našimi neposrednimi predniki, šimpanzi. Ker so te vrste živele razmeroma nedavno, šele v zadnjih nekaj milijonih let, so ti fosili ponavadi bolje ohranjeni kot tisti, starejše. Homo habilis in Homo erectus sta dva pogosta primera takšnih prehodnih fosilov in nam veliko povesta o evoluciji hominidov.