ซากดึกดำบรรพ์อาจจำแนกออกเป็นประเภทต่าง ๆ โดยใช้หลักเกณฑ์การจำแนก เช่นเดียวกับการจำแนกกลุ่มสิ่งมีชีวิตปัจจุบันซึ่งแบ่งย่อยตามลำดับชั้นอนุกรมวิธานจากระดับสูงสุดไประดับต่ำสุด คือ อาณาจักร(kingdom) ไฟลัม(phylum) ชั้น(class) อันดับ(order) วงศ์(family) สกุล(genus) และชนิด(species) นักโบราณชีววิทยานิยมจำแนกซากดึกดำบรรพ์เป็น ๔ กลุ่มใหญ่ ๆ ได้แก่ ซากดึกดำบรรพ์สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง(Invertebrate fossil) ซากดึกดำบรรพ์สัตว์มีกระดูกสันหลัง(Vertebrate fossil) ซากดึกดำบรรพ์พืช(Plant fossil) และร่องรอยสัตว์ดึกดำบรรพ์(Trace fossil)
สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง คือ สัตว์ที่ไม่มีแกนกระดูก ส่วนใหญ่เป็นสัตว์ที่อาศัยอยู่ในทะเลเริ่มเกิดขึ้นมาตั้งแต่ก่อนยุคแคมเบรียนจนถึงปัจจุบัน สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังในยุคแรก ๆ ยังไม่มีเปลือกแข็งหุ้ม ต่อมามีเปลือกแข็งหุ้มอยู่ภายนอกมีทั้งสัตว์เซลล์เดียว ได้แก่ ฟอแรมมินิเฟอรา (foraminifera) และ สัตว์หลายเซลล์ ได้แก่ ฟองน้ำ (sponge) ปะการัง (coral) ไบรโอซัว (bryozoa) แกรปโทไลต์ (graptolite) ไทรโลไบต์ (trilobite) แอมโมไนต์ (ammonite) ไครนอยด์ (crinoid) บราคิโอพอด (brachiopod) หอยกาบคู่ (pelecypod) หอยกาบเดี่ยว (gastropod) นอกจากนี้ยังมีซากสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังที่ไม่ได้อาศัยอยู่ในทะเลด้วย ได้แก่ แมลงชนิดต่าง ๆ
สัตว์มีกระดูกสันหลัง คือ กลุ่มสัตว์ที่มีแกนกระดูกยาวช่วยพยุงร่างกายให้คงรูปอยู่ได้เป็นกลุ่มสัตว์ที่มีวิวัฒนาการสูง ได้แก่ ปลา สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ สัตว์เลื้อยคลาน นก และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เริ่มเกิดขึ้นมาตั้งแต่ปลายยุคแคมเบรียนและได้มีการเปลี่ยนแปลงเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน ซากดึกดำบรรพ์สัตว์มีกระดูกสันหลังเป็นสิ่งหายาก นอกจากนี้ซากที่ครบสมบูรณ์ทั้งตัวยังพบได้น้อยมาก การศึกษาเกี่ยวกับซากดึกดำบรรพ์สัตว์มีกระดูกสันหลังส่วนใหญ่สามารถทำได้โดยการศึกษาชิ้นส่วน กระดูก หัวกะโหลก และฟันของสัตว์
ซากดึกดำบรรพ์พืชพบตั้งแต่ยุคพรีแคมเบรียนจนถึงยุคปัจจุบัน ซากดึกดำบรรพ์พืชที่เริ่มเกิดขึ้นมาบนโลกนี้ ได้แก่ สาหร่าย ซึ่งมีความสำคัญมากในอุตสาหกรรมน้ำมันและเป็นตัวผลิตออกซิเจน ให้แก่ชั้นบรรยากาศโลก ต่อมาแพร่กระจายขึ้นมาเป็นพืชบกในยุคไซลูเรียนและมีความหลากหลายมากขึ้นในยุคคาร์บอนิเฟอรัสส่วนพืชดอกเริ่มมีขึ้นในยุคครีเทเชียส ซากดึกดำบรรพ์พืชส่วนใหญ่พบในรูปไม้กลายเป็นหิน ถ่านหิน สปอร์ และละอองเรณู นอกจากนี้ยังพบเป็นรอยพิมพ์ซากใบไม้ที่ประทับอยู่ในหินดินดานหรือหินทราย
คือ ร่องรอยที่เกิดขึ้นจากการกระทำของสัตว์และถูกประทับไว้ในชั้นหินไม่ใช่ชิ้นส่วนของสิ่งมีชีวิต แต่ร่องรอยเหล่านี้สามารถบอกเล่าเรื่องราวสภาพแวดล้อมและพฤติกรรมของสัตว์ได้ เช่น รอยเท้าหรือแนวทางเดิน รูหรือรอยชอนไช หรือมูลของสัตว์