恐龍死後，身體中的軟組織因腐爛而消失，骨骼(包括牙齒）等硬體組織沉積在泥沙中，處於隔絕氧氣的環境下，經過幾千萬年甚至上億年的沉積作用，骨骼完全礦物化而得以保存。此外恐龍生活時的遺蹟，如腳印等有時間也可以石化成化石保存下來。
當恐龍死去並很快地被沉積物或水下泥沙所覆蓋時，石化過程就開始了。這些沉積物中含有細小的顆粒，會在屍體表面形成一層鬆軟的覆蓋物。這條“毯子”可保護動物屍體免受食腐動物的侵襲，也可隔絕氧氣，抑制微生物的分解。
恐龍殘體如牙齒和骨骼化石是最熟悉的化石，這些都被稱之為體軀化石；至於恐龍的遺蹟（包括足跡、巢穴、糞便或覓食痕跡）也有可能形成化石保存下來，這些則被稱為生痕化石。這些化石是研究恐龍的主要依據，據此可以推斷出恐龍的類型、數量、大小等等情況。
恐龍化石的形成大致要經過三個階段。
第一個階段是被掩埋。一隻恐龍死了，倒在地上，它的屍體很快被泥沙掩埋。這些覆蓋在恐龍屍體上的泥沙能起到隔離的作用，阻擋外界的水分和空氣與恐龍的屍體接觸。這樣恐龍的屍體就不會被微生物分解掉。後來，屍體的上面又有越來越多的沉積物覆蓋在上面，幾千萬年以後恐龍屍體就被掩埋得很深很深了。
第二階段是石化的過程。我們現在要想看到一具帶皮肉的恐龍屍體是非常非常困 難的，因為動物的皮肉、內部器官——這些被叫作軟組織的部分極容易腐敗。而由於恐龍的骨骼都是由一些礦物質組成的，它們反倒會在地下變得越來越堅硬，就像石頭一樣，這就是恐龍骨骼的石化過程。等恐龍的骨骼石化了，就比較容易保存下來，變成了化石。但是這些骨骼也會因為地質運動、擠壓或者是高温而變得支離破碎甚至消失。
第三階段就是迴歸地表的階段。那些含有恐龍化石的地層又可能因為地質運動而回到地球表面；或者那些覆蓋在表面的沉積物被慢慢地衝刷掉，最後恐龍化石也迴歸地球表面了。這樣挖掘起來也容易一些。恐龍化石的形成是一個非常複雜的過程，並且還要歷經很多“磨難”，我們今天能看到恐龍的化石是一件很幸運的事。
