Joskus paleontologit kaivavat fossiileja, joita on vaikea luokitella. Jotkut fossiilit ovat niin salaperäisiä, että ei ole edes sopimusta siitä, mihin eläinlajeihin ne kuuluvat. Jotkut, kuten Vendozoa, salaperäiset tikatut ”patjat” ja pussit Ediacaranin ajalta, noin 600–542 miljoonaa vuotta sitten, on alustavasti osoitettu omaksi phylakseen. Toiset pysyvät paikoillaan, ja heidän läheisyytensä tulkinnat ovat ristiriitaisia. Fossiilia, jonka luokitusta ei tunneta, kutsutaan incertae sediisiksi, latinaksi “epävarma sijoitus”.
Fossiilisia organismeja, joita on vaikea luokitella, on eniten monisoluisen elämän kynnyksellä, Edicaranin ja Kambrian aikoina. Monisoluinen elämä syntyi Ediacaranissa noin 600 miljoonaa vuotta sitten. Tämän ajan fossiilit ovat niin alkeellisia, että on vaikea sanoa, mitä ne ovat. Yksi näistä fossiilisista organismeista on Cloudina, yksi ensimmäisistä biomineralisoivista organismeista, joista on jäljellä vain kalkkipitoinen putki. Erilaiset fossiilisten organismien asiantuntijat kutsuvat sitä joko primitiiviseksi sieneksi, korallimaiseksi cnidarianiksi (meduusojen sukulaiseksi) tai jopa varhaiseksi segmentoituneeksi matoksi.
Ediacaranin eliöstön fossiiliset organismit ovat salaperäisimpiä, koska niitä on niin paljon ja muutamien luokittelusta ei ole yksimielisyyttä. Ediacaranin eliöstö koostui ensimmäisistä tunnetuista monisoluisista ekosysteemeistä, ja kuten aiemmin todettiin, se koostui erilaisista nesteellä täytetyistä pusseista, frondeista ja patjoista, joilla oli tyypillinen tikattu kuvio. Yksi ikonisista Edicaran-eläimistön jäsenistä, Charnia, näyttää jonkin verran nykyajan cnidarianilta, merikynältä, mikä saa jotkut tutkijat luokittelemaan Ediacaranin eliöstön cnidarialaisiksi ilman pistäviä soluja, mutta muut tutkijat kutsuvat niitä jäkäliksi, sieniksi, jättimäisiksi protisteiksi, basaaliksi metatsaanit, bakteeripesäkkeet ja paljon muuta. Kysymys on edelleen ratkaisematta.
Muut fossiiliset organismit, joiden luokittelu on ollut haasteellista, ovat peräisin kambrialaisesta kaudesta, joka tapahtui heti Ediacaranin jälkeen. Yksi tunnetuimmista on petollinen katkarapumainen olento Anomalocaris, jonka ainesosia pidettiin aikoinaan kolmena erillisenä organismina. Aluksi sen irrotettujen ”käsivarsien” uskottiin kuuluvan äyriäisille, ja sen ananasviipaleen muotoinen suu sekoitettiin meduusaksi, ja sen runko luokiteltiin sieneksi. Vasta vuonna 1985 tiedemiehet ymmärsivät, että nämä olivat osia saalistavasta proto-niveljalkaisesta, suurimmasta tunnetusta korkeintaan metrin pituisesta kambrialaisesta saalistajasta.
Muita fossiilisia organismeja, joiden luokittelu on osoittautunut vaikeaksi, ovat kambrian Wiwaxia, Opabina, Odontogriphus ja monet muut. Kambrian jälkeen monet organismit asettuvat vakiintuneeseen phylaan ja niiden luokittelu on helpompaa.