ซากดึกดำบรรพ์สามารถจำแนกออกเป็นประเภทต่าง ๆ ได้หลายลักษณะ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าจะใช้หลักเกณฑ์อะไรเป็นบรรทัดฐาน การพยายามจำแนกตามหลักอนุกรมวิธานตามแบบชีววิทยาอาจพบกับข้อจำกัด เนื่องจากส่วนใหญ่แล้วซากดึกดำบรรพ์มักเป็นส่วนซากเหลือจากการผุพังสลายตัว ส่วนใหญ่เป็นส่วนที่แข็ง มีความทนทานต่อการผุพังสลายตัวสูงกว่าส่วนที่เป็นเนื้อเยื่ออ่อนนุ่ม เช่น กระดูก ฟัน กระดอง เปลือก และสารเซลลูโลสของพืชบางส่วน อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สอดคล้องกับประเภทนักวิจัยซากดึกดำบรรพ์ (นักบรรพชีวินวิทยา) ในปัจจุบัน ในที่นี้จะจำแนกซากดึกดำบรรพ์ออกเป็น 3 ประเภท คือ

1. ซากดึกดำบรรพ์สัตว์
   • ซากดึกดำบรรพ์สัตว์มีกระดูกสันหลัง
   • ซากดึกดำบรรพ์สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง
2. ซากดึกดำบรรพ์พืช
   • ซากดึกดำบรรพ์ไม้กลายเป็นหิน
   • ซากดึกดำบรรพ์ใบไม้
   • ซากดึกดำบรรพ์ดอก
   • ซากดึกดำบรรพ์ทางเรณูวิทยา
   • ซากดึกดำบรรพ์ผลไม้
   • ซากดึกดำบรรพ์เมล็ด
3. ซากดึกดำบรรพ์ร่องรอย