中国古生物化石资源十分丰富。从老到新的地层中，古生物化石发现较集中的就有几个大的生物群。
云南澄江生物群：
位于云南省南部。赋存距今大约5.3亿年前的寒武纪地层中，以多门类海生软躯体和保存有软体部分的古无脊椎动物化石为代表。包括海绵、腔肠动物、蠕虫、腕足类、软舌螺、内肛虫、节肢动物和一些位置不明的化石。化石丰富、其软体组织、器官保存完美，是迄今世界上已知少数几个早期珍贵无脊椎动物化石产地之一。
科学家认为，澄江动物化石群与澳大利亚埃迪卡拉动物群、加拿大布尔吉斯动物群并列为地球早期生命起源和演化事例的“世界三大奇迹”。它生动地再现了寒武纪之初的生物世界，不仅包含了许多早已灭绝的奇异生物类型，还将现在生动物几乎所有门类的祖先追溯到寒武纪初期，从而构建了以蘑菇云式多分枝为底座的爆炸式多细胞动物演化模式，对达尔文“渐变”的传统进化理论提出严峻的挑战。
贵州关岭生物群：
主要位于黔西南。主要赋存距今2.27亿年前中三叠世晚期地层中，包括大量完整、精美的珍稀海生爬行动物和海百合化石，并伴有鱼类、菊花类、双壳类和腕足类等多类古生物化石。
关岭古生物化石群在探讨中生代海生爬行动物演化方面具有重要意义。海生爬行动物在三叠纪时期开始早期的演化和对水生生活的真正适应，在侏罗纪和白垩纪时期成为海洋中的霸主。发现于晚三叠纪早期的关岭古生物群，恰好在时间上连接了这两个阶段，为研究海生爬行动物早期起源、演化和辐射提供了宝贵素材。
热河动物群：
主要位于辽宁西部、河北北部和内蒙古东部，主要赋存距今约1.3亿～1.2亿年的晚中生界早白垩统义县组火山喷发间歇期的湖相沉积夹层与九佛堂组河湖相的沉积中。发现的化石有鸟类、鱼类、龟类、鹦鹉嘴龙、翼龙等。
热河生物群最著名的代表性分子包括世界上独一无二的身披羽毛的恐龙化石、原始的早期鸟类、早期哺乳动物以及十分原始的被子植物等，这些对于研究古生物和进化生物学中许多有争议的问题如鸟类的起源、羽毛和鸟类飞行的起源、中生代哺乳动物的演化及被子植物的起源，具有十分重要的意义。除了具有重大的科学意义外，其化石种类的极其丰富和超常的保存状态，共同构成了辽西热河生物群地质遗迹的稀有性和化石本身的优美特征。
山旺生物群：
位于山东省东部，主要保存距今约1400万年中新世山旺组硅藻土层中。其种类之多、保存之完整为世界罕见。目前已发现的化石有十几个门类600多种。动物化石包括昆虫、鱼、蜘蛛、两栖、爬行、鸟及哺乳动物。昆虫化石翅肢清晰，保存完整，有的还保留绚丽的色彩，已研究鉴定的11目46科100属182种。
山旺鸟类化石是我国迄今为止发现完整鸟化石最丰富的产地。三角原古鹿化石和东方组熊化石是世界上中新世该化石保存最完成的标本。植物化石有苔藓、蕨类、裸子植物、被子植物及藻类。除100种藻类外，其他植物有46科98属143种。它们在世界上研究古生态、古气候、动植物演化等方面有着重要的位置。
分布广泛的恐龙化石群：
我国已发现的恐龙化石产地很多，在黑龙江嘉阴一带、四川自贡及四川盆地其他地区、山东诸城、内蒙古二连浩特盐池和查干诺尔、广东南雄、山西天镇、河南西峡、内乡、新疆准格尔盆地以及广西扶绥、浙江永康和贵州等地都有分布。每个分布区都有特色。
古象化石：
我国多处发现古象化石。主要产地有：内蒙古扎赉诺尔松花江猛犸象、甘肃合水县板桥“黄河剑齿象”，以及鸵鸟、三趾马、羚羊。
硅化木化石：
北京、河北、内蒙古、辽宁、江苏、浙江、广东、广西、贵州、四川、西藏、甘肃、新疆等地都有硅化木化石产出。