Uma vez que alguns organismos apenas sobrevivem em condições climáticas muito restritas, estes constituem bons indicadores de climas do passado, sendo estudados pela Paleoclimatologia. Os grãos de pólen fósseis são particularmente úteis nestes estudos.
       
       Da mesma forma há organismos adaptados a ambientes muito restritos. Por exemplo, na actualidade os gastrópodes que se encontram em meio marinho são diferentes dos encontrados em meio lacustre ou terrestre. Estes organismos dão-nos informações acerca do ambiente em que viveram - Paleoambiente - sendo considerados fósseis de ambiente ou fósseis de fácies. Estas informações também nos permitem reconhecer a geografia da Terra no passado, como a extensão de mares antigos, praias, lagos, entre outros. A reconstituição da geografia da Terra do passado a partir de organismos fósseis designa-se Paleobiogeografia.
       
       Os fósseis também podem ser úteis nos estudos de tectónica. O estudo de um fóssil deformado comparativamente com um original, permite-nos quantificar a deformação sofrida por uma determinada rocha.
       
       Por fim, a aplicação provavelmente mais importante reside na capacidade de determinação da idade das rochas que os contêm, uma vez que cada intervalo de tempo tem fósseis característicos. O estudo da idade dos estratos sedimentares a partir dos fósseis designa-se Biostratigrafia. Os fósseis que se distribuem em intervalos de tempo curtos na História da Terra tendo ampla distribuição geográfica designam-se fósseis de idade.