Les fossiles les plus anciens sont ceux d'organismes unicellulaires qui dateraient de milliards d'années. Des fossiles d'organismes plus complexes, multicellulaires, sont datés, pour les plus anciens d'entre eux, de 2,1 milliards d'années.
La vie sur Terre a d'abord été très probablement une vie marine. La formation des océans date de 4,41 milliards d'années. L'âge de la Terre est d'environ 4,54 milliards d'années.
De nombreuses découvertes de fossiles dits "les plus anciens" sont annoncées de manière régulière, mais elles sont souvent controversées dans les milieux scientifiques. Leurs auteurs doivent démontrer de manière irréfutable l'origine biologique de l'objet étudié, ce qui pose problème pour des époques aussi reculées.
Les stromatolites vieux de 3,46 milliards d'années récoltés en Australie-Occidentale dans le craton de Pilbara, et connus depuis les années 1980, ont été présentés à plusieurs reprises comme les plus anciens témoignages directs de la vie sur Terre, et contestés comme tels. Une étude parue dans la revue Nature en septembre 2019 fait état de nouvelles preuves de l'origine biogénique de stromatolites qui présentent des inclusions de matière organique azotée, et des filaments de matière organique, et qui ont été recueillis dans ce même craton australien, dans la formation de Dresser. Un âge de plus de 3,4 milliards d'années signifie que ces êtres vivants dont les traces auraient été détectées pouvaient se passer d'oxygène et utilisaient probablement, comme source d'énergie, le soufre. Bien que l'on parle de "stromatolites fossiles", les stromatolites sont en fait des structures sédimentaires créées par des colonies de bactéries, des procaryotes. Les êtres vivants sont les bactéries, qui n'ont pas subsisté (elles n'ont pas été fossilisées), seul demeure le résultat de leur activité métabolique.
Des structures présentées comme des micro-organismes unicellulaires fossilisés (des procaryotes) vieux d’au moins 3,77 milliards d’années, prenant la forme de tubes et de filaments microscopiques, ont été découvertes au Canada dans la « ceinture de roches vertes de Nuvvuagittuq » (au Québec).