鸟化石是脊索动物门鸟纲动物所保留下来的残体。由于鸟的躯体脆弱，很难作为化石保存下来。然而，一些有趣的和重要的鸟类化石依然被发现。最老的化石是在德国侏罗纪岩石露头中发现的，这种原始的鸟被命名为始祖鸟。始祖鸟比爬行动物稍小，有羽毛。人们从两个相对比较完整的骨架和少量碎片化石以及另一个羽毛化石了解了始祖鸟。始祖鸟有乌鸦般大，有锐利的牙、相对较长的脖子、蜥蜴般的尾巴、在每个翅膀上有三个尖利的趾。羽毛有力地说明它是鸟，是热血动物。然而牙、头、臀骨带、后肢和紧密的骨骼结构完全象爬行动物。这些不寻常的化石提供了鸟类与爬行动物之间有密切联系的证据，是古生物学中最重要的发现。
白垩纪的鸟类比侏罗纪更丰富、更加特化。头、肢、骨的结构更象鸟，很多种属依然有牙。白垩纪的鸟的特化也有相当可观的证据。有些类型，例如有齿鸟（Hesperornis）有小而无用的翅膀，长有很多利牙的颌、粗壮的适于行走的足、约高1米，有些象现代的䴙䴘（Loon），看来适于游泳和潜水。鱼鸟，是另一种白垩纪的鸟，比有齿鸟小，有发育很好的翅膀。大概很象现代海鸥的习性。由于在堪萨斯州西部的白垩纪石灰岩中搜集到保存得异乎寻常好的骨架，人们对魚鸟了解得很多。
新生代的鸟很象现代的鸟。虽然新生代的鸟作为化石保存下来相对较稀少，但肯定在当时是丰富多样的。鸭、兀鹰、猫头鹰、乌鸦、塘鹅、企鹅的化石是属于第三纪的鸟类化石，其中很多与现代相似的种属在大小和生活习性上是接近的。有一个例外，就是一种灭绝的企鹅，差不多1.5米高，明显高于今天任何一种企鹅。第三纪的不会飞的火鸟有很大意义。其中之一种的不飞鸟（Diatryma），生存于始新世，差不多有2米高，有根粗壮的颚和差不多象马一样长的头。恐鸟是所知最大的鸟，站高3—3.6米，蛋的直径约30厘米。这些鸟在有史时期还曾生活于新西兰，被认为是天然灭绝的。
鸟化石FossilBird
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