生物的坚硬部分物理性质和化学性质因多由矿物质构成较稳定，这些矿物质在地下发生改变并重结晶，久而久之会变得比原来更加坚硬。身体内的较软的组织则会分解形成空洞，不过就在空洞产生的同时，带着矿物质的地下水会填充进来，这些矿物质经沉积后形体了生物体中的其它部分。

石化过程的石化作用主要为：

1.矿质充填作用或过矿化作用 地下水携带的矿物质成分填充在疏松多孔的硬体组织之中或硬体组织之间的空隙，使原来的组织更为致密并加重，而原组织结构未发生变化。如有孔虫、蜓、珊瑚和腕足动物硬壳或钙质骨骼间被碳酸钙质或泥质、砂质、硅质等所充填。脊椎动物骨骼中的孔隙被充填；

2.炭化作用或升馏作用 一般发生在具碳水化合物的有机质硬体骨骼及植物叶或叶状体中，在地层的压力和地热增温作用的影响下，有机物中的易挥发成分被升馏，仅留下稳定的炭质薄膜。例如炭化的植物叶或叶状体化石、笔石、某些节肢动物的外壳、昆虫的翅。在琥珀昆虫化石中，也有相当多的一部分，由于在松脂中原来含有的水分和松节油等挥发成分升馏而变为琥珀时，使被包裹的昆虫的水分及有机成分也同时蒸腾，而形成炭质薄膜附于包围昆虫的空腔的壁上；

3.置换作用或交代作用 通常发生于携带矿物成分的地下水与生物硬体之间，原来硬体组织被溶解的速度与地下水带来的矿物质的填充速度相等而且在分子间进行交代的情况下，原来的生物结构包括细胞组织的轮廓等都清晰可见。最常见的是硅化木，它是由二氧化硅交代了原来的细胞而形成的。其他矿物质如方解石、白云石、黄铁矿、赤铁矿等作为交代物而进行交换作用，被称为钙化、黄铁矿化和赤铁矿化作用。至于溶解速度大于交代速度时，则矿物质只能填入溶解后的空腔，而形成模铸化石。