Bằng chứng trực tiếp chính là các hóa thạch

Hóa thạch là các di tích của sinh vật đã từng sinh sống trong các thời đại địa chất còn lưu lại trong các lớp đất đá của vỏ trái đất.

Hóa thạch có ý nghĩa rất to lớn trong nghiên cứu tiến hóa

+ Căn cứ vào hóa thạch trong các lớp đất đá có thể suy ra lịch sử phát sinh, phát triển và diệt vong của các loài sinh vật

+ Căn cứ vào phương pháp đo độ phân rã của các nguyên tố phóng xạ, ta có thể xác định được tuổi của hóa thạch→ tuổi của lớp đất đá chứa chúng.

+ Sự xuất hiện của hóa thạch còn cung cấp những dẫn liệu để nghiên cứu lịch sử vỏ trái đất VD: sự có mặt của hóa thạch quyết thực vật→khí hậu ẩm ướt.

+ Bằng phương pháp địa tầng học (xem xét sự bồi tụ của trầm tích...) ta có thể xác định được một cách tương đối tuổi của các lớp đất đá→tuổi của hóa thạch trong đó.