Pereinamosios fosilijos yra pereinamųjų gyvybės formų fosilijos, atstovaujančios evoliucinį tiltą tarp dviejų pripažintų grupių. Pereinamosios fosilijos yra vienas stipriausių įrodymų, patvirtinančių Darvino evoliucijos ir natūralios atrankos teoriją, tačiau jos nėra pakankamai pripažintos. Daugelis žmonių mano, kad pereinamojo laikotarpio fosilijų įrašuose yra daugiau spragų, nei yra iš tikrųjų. Iš tikrųjų žinomi šimtai svarbių pereinamųjų formų.
Viena iš pirmųjų akivaizdžių pereinamųjų fosilijų yra Pikaia gracilens, supaprastintas lancetiškas organizmas, rastas Burgess skalūnuose (prieš 505 mln. metų), taip pat Flinderso kalnagūbriuose Australijoje (prieš 560 mln. metų). Pikakia yra pereinamoji fosilija tarp bestuburių ir stuburinių (Chordata), vaizduojanti primityvią notochordą, stuburo pirmtaką. Pikakia buvo vidutiniškai 1 cm ilgio ir plaukė virš jūros dugno, kur greičiausiai valgė mikrofauną ir maisto daleles. Pikakia suakmenėja palyginti prastai, kol kas rasta tik 1 egzempliorių.
Vėlesnė pereinamoji fosilija yra skilties pelekų žuvis Tiktaalik, proto-tetrapodas, gyvenęs maždaug prieš 375 milijonus metų vėlyvojo devono laikotarpiu. Ant Tiktaalik pelekų matyti pagrindiniai riešo kaulai ir paprasti pirštai, rodantys, kad jie atlaiko svorį ir kad gyvūnas bent jau ribotai veržiasi į žemę. Tiktaalik laikomas pereinamuoju fosilija tarp žuvies ir tetrapodų. Tiktaalik ir panašios fosilijos buvo pavadintos „žuvakojais“, nes turi abiejų savybių.
Kita pereinamoji fosilija, viena garsiausių, yra Archeopteriksas, pereinamasis tarp paukščių ir dinozaurų. Archeopteriksas gyveno prieš 155–150 milijonų metų, vėlyvuoju Juros periodu. Pirmasis pilnas skeletas buvo paskelbtas 1862 m., o rūšis tapo pagrindiniu įrodymu, naudotu ginant evoliucijos teoriją jos pradžioje. Archeopteriksas gali užaugti iki 0.5 m (1.6 pėdos) ilgio ir, nepaisant paviršutiniško panašumo į paukščius, iš tikrųjų turi daugiau panašumų su mažais teropodais dinozaurais.
Buvo rasta daug pereinamųjų fosilijų tarp žmonių ir mūsų artimiausių protėvių šimpanzių. Kadangi šios rūšys gyveno palyginti neseniai, tik per pastaruosius kelis milijonus metų, šios fosilijos paprastai yra geriau išsilaikiusios nei senesnės. Homo habilis ir Homo erectus yra du įprasti tokių pereinamųjų fosilijų pavyzdžiai, ir jie mums daug pasako apie hominidų evoliuciją.