Zkamenělina je pozůstatek nebo stopa dávného živého tvora.
V sedimentárních horninách se vyskytují zkameněliny živočichů, rostlin nebo protist.
U typické fosilie je zachována forma těla, ale původní molekuly, které tělo tvořily, byly nahrazeny anorganickým materiálem, jako je uhličitan vápenatý (CaCO3) nebo oxid křemičitý (SiO2). Zkamenělina vypadá jako hornina a je z ní vyrobena. Byla mineralizována nebo petrifikována (doslova přeměněna v horninu).
Zkamenělinou může být také otisk nebo otisk živé bytosti, který zůstal ve zkamenělém bahně dávno minulého věku.
Některé organismy fosilizují dobře, jiné ne. Nejběžnější zkameněliny jsou ty, které po sobě zanechávají organismy produkující tvrdé materiály. Příkladem jsou tvrdé, kalcitické schránky měkkýšů (např. mlžů a plžů) a dnes již vzácných ramenonožců (známých také jako lampové schránky). Tito měkkýši žijící v moři vytvořili v zemi mnoho fosilních (tj. zkamenělých) křídových vrstev vápence.
Za zvláštních okolností mohou fosilizovat organismy s měkkým tělem: dobrým příkladem je ediakarská biota.
Pro širokou veřejnost jsou nejznámější zkameněliny obřích prehistorických dinosaurů. Zkamenělé kosti a zkamenělé stopy těchto obrovských dávných plazů jsou k vidění v mnoha přírodovědných a zemských muzeích.
Studium zkamenělin geology a biology se nazývá paleontologie. Pokud toto studium zasazuje živé organismy do jejich ekologického kontextu, nazývá se paleobiologie.
