Większość bezpośrednich dowodów świadczących o ewolucji wywodzi się z geologii i paleontologii. Geologia zajmuje się badaniem Ziemi i jej historią, a paleontologia – odkryciami, identyfikacją i interpretacją skamieniałości. Skamieniałości to zachowane do naszych czasów pozostałości dawno żyjących organizmów roślinnych i zwierzęcych lub ich fragmentów. Do skamieniałości zaliczamy także pozostawione przez organizmy odciski lub inne ślady ich działalności. Jeżeli część ciała organizmu uwięzła w skałach osadowych, zanim się całkowicie rozłożyła, mówimy wówczas o szczątkach kopalnych. Część materiału organicznego przetrwała do dziś w tej postaci. Jeżeli tworzeniu się skały, w której został zatopiony organizm, towarzyszyły wysokie ciśnienie i wysoka temperatura, cała materia organiczna wyparowała. Tworzenie się i zachowanie skamieniałości możliwe jest wtedy, gdy organizm obumiera w warunkach, które spowalniają lub hamują proces jego rozkładu. Zdarza się to najczęściej wówczas, gdy drobne cząsteczki gleby w zawiesinie wodnej szybko pokrywają szczątki roślin i zwierząt, tworząc wokół nich warstwę osadu. Szczątki organizmów wodnych mogą być uwięzione w bagnach, błotach, ławicach piasku lub w deltach rzek. Szczątki organizmów lądowych, żyjących na terenach okresowo zalewanych wodą, mogą być też pokryte osadem naniesionym przez wodę, natomiast szczątki organizmów żyjących na obszarach suchych mogą znaleźć się pod warstwą nawianego piasku. Szczątki mogą być też uwięzione w asfalcie (np. w La Brea w Los Angeles) lub pokryte popiołem wulkanicznym, tak jak w Pompei po wybuchu Wezuwiusza.
Skamieniałości stanowią świadectwo dawniej żyjących roślin i zwierząt. Pozwalają ustalić, gdzie i kiedy one żyły oraz dają podstawy do przypuszczeń, w jakim środowisku występowały. Dopiero nagromadzenie licznych skamielin organizmów z różnych okresów geologicznych umożliwia ustalenie linii ewolucyjnych, prowadzących do powstania tych organizmów. Najczęściej spotykanymi skamieniałościami kręgowców są zęby i części szkieletowe. Na podstawie kształtu kości i miejsc wskazujących na punkty zaczepu mięśni, paleontologowie mogą wnioskować o postawie i sposobie poruszania się zwierzęcia, rozmieszczeniu i wielkości mięśni oraz o zarysie jego ciała. Dzięki wnikliwym badaniom pozostałości kopalnych paleontologowie mogą zrekonstruować podobny wygląd zwierzęcia za jego życia.
Powszechnie znanym typem skamieniałości są odciski stóp, czyli tropy pozostawione w miękkim podłożu, z czasem twardniejącym. Na ich podstawie uczeni mogą wyciągnąć pewne wnioski co do budowy i sposobu poruszania się zwierzęcia, które te ślady odcisnęło. Szczególnie dobrze zachowały się szczątki niektórych zwierząt niedawno żyjących, zatopione w bagnach, w asfalcie i w bursztynie. Odkryte w wiecznej zmarzlinie na Syberii, zamrożone na kamień w ciągu dwudziestu pięciu tysięcy lat, szczątki mamuta przetrwały w tak dobrym stanie, że można było zanalizować jego DNA. W niektórych skamieniałościach twarde części organizmu, a nawet miękkie tkanki mogą być zastąpione przez minerały. Siarczek żelaza (piryt), krzemionka i węglan wapnia są pospolitymi minerałami, które przenikają do martwych tkanek. Zjawisko to znane jest jako petryfikacja, czyli zeskalenie. Słynny spetryfikowany las w Arizonie składa się z martwych drzew przesyconych minerałami.
Również rekonstrukcja procesu ewolucyjnego gatunku ludzkiego i jego najbliższych krewnych, zwanego hominizacją, z punktu widzenia nauki dysponuje konkretnymi dowodami w postaci skamieniałych szczątków roślin i zwierząt. Geologia pomaga ustalić wiek skamieniałości i mówi o zjawiskach przyrodniczych, które miały wpływ na rozwój człowieka. Jednak zachowanie się człowieka nie podlega skamienieniu, dlatego nie można w pełni na ten temat uzyskać dowodów takich, jakich domaga się nauka. Z pewnym ograniczeniem możemy snuć domysły co do warunków powstania człowieka. Stosując metody statystyki, systematyki, modeli logicznych i nowsze instrumenty metodologiczne można przeanalizować zmiany dotyczące zachowania się człowieka i w ten sposób otrzymać, jeśli nie pełny, to prawdopodobny obraz życia hominidów
Hominizacja rozpoczęła się w bardzo odległych czasach. Takie przedstawienie odległości czasowej, które byłoby naprawdę zrozumiałe jest bardzo trudne. Przekonujący wydaje się być pogląd, że przystosowanie się rodzaju ludzkiego do otoczenia, w którym się znalazł, i dojście do obecnie zajmowanego w nim stanowiska trwało przez trzydzieści tysięcy pokoleń. A był to dopiero początek krótkiego okresu, gdy małpy i ludzie zaczęli oddzielać się od wspólnego przodka. Granice między małpami i małpami człekokształtnymi wyznacza czas przyjęcia postawy wyprostowanej. Przodkowie człowieka pojawili się między dwudziestoma a pięcioma miliardami lat temu we wschodniej i południowej Afryce. Proces hominizacji, według wczesnych dowodów dokonał się więc na bardzo ograniczonej przestrzeni. Szybko rozpowszechnił się, gdy tylko hominidy nauczyły się panować nad swoim mózgiem. Wychodząc z Afryki około półtora miliona lat temu, doszły do Europy, przechodząc przez Azję Mniejszą. Dowody w postaci odnalezionych skamieniałości przeczą poglądowi, jakoby hominizacja odbywała się jednocześnie – w sposób niezależny – w wielu miejscach ziemi.