Siirtymäkauden fossiilit ovat siirtymäkauden elämänmuotojen fossiileja, jotka edustavat evoluutiosiltaa kahden tunnetun ryhmän välillä. Siirtymäkauden fossiilit ovat vahvimpia todisteita Darwinin evoluutioteorian ja luonnollisen valinnan puolesta, mutta niitä ei tunnusteta riittävästi. Monet uskovat, että siirtymäkauden fossiilirekisterissä on enemmän aukkoja kuin todellisuudessa on. Todellisuudessa tunnetaan satoja tärkeitä siirtymämuotoja.
Yksi ensimmäisistä ilmeisistä siirtymäkauden fossiileista on Pikaia gracilens, yksinkertaistettu lansetin kaltainen organismi, joka löytyy Burgessin liuskeesta (505 miljoonaa vuotta sitten) sekä Flinders Rangesista Australiassa (560 miljoonaa vuotta sitten). Pikakia on siirtymäkauden fossiili selkärangattomien ja selkärankaisten välillä (Chordata), jossa on primitiivinen notokordi, selkärangan edeltäjä. Pikakia oli keskimäärin 1 1/2 tuumaa (5 cm) pitkä ja ui merenpinnan yläpuolella, missä se todennäköisesti söi mikrofaunaa ja ruokahiukkasia. Pikakia fossiilistuu suhteellisen huonosti, ja tähän mennessä on löydetty vain 60 yksilöä.
Myöhempi siirtymäkauden fossiili on lohi-siipinen kala Tiktaalik, proto-tetrapod, joka eli noin 375 miljoonaa vuotta sitten, myöhään Devonin aikana. Tiktaalik -evät näyttävät perusrannekkeet ja yksinkertaiset sormet, jotka osoittavat, että ne kantoivat painoa ja että eläin osallistui ainakin rajoitettuihin hyökkäyksiin maalle. Tiktaalikia pidetään siirtymäkauden fossiilina kalan ja nelijalkaisten välillä. Koska Tiktaalik ja samankaltaiset fossiilit sisältävät molempien ominaisuuksia, niitä on nimitetty “kalakalaiksi”.
Toinen siirtymäkauden fossiili, yksi kuuluisimmista, on Archeopteryx, siirtymävaihe lintujen ja dinosaurusten välillä. Archeopteryx eli 155–150 miljoonaa vuotta sitten, myöhäisen juurakauden aikana. Ensimmäinen täydellinen luuranko julkistettiin vuonna 1862, ja lajista tuli keskeinen todiste, jota käytettiin puolustamaan evoluutioteoriaa lapsenkengissään. Archeopteryx voi kasvaa 0.5 metriin (1.6 jalkaa) pitkäksi, ja huolimatta pinnallisesta samankaltaisuudestaan lintuihin, sillä on itse asiassa enemmän yhteistä pienten pienten theropod -dinosaurusten kanssa.
Monia siirtymäkauden fossiileja ihmisten ja välittömien esi -isiemme, simpanssien, välillä on löydetty. Koska nämä lajit asuivat suhteellisen hiljattain, vasta muutaman viime vuoden aikana, nämä fossiilit säilyvät yleensä paremmin kuin ikivanhat. Homo habilis ja Homo erectus ovat kaksi yleistä esimerkkiä tällaisista siirtymäkauden fossiileista, ja ne kertovat meille paljon hominidien evoluutiosta.