分子化石（molecular fossil）是指地质体中那些来自生物有机体的分子，它们在有机质演化过程中具有一定的稳定性，虽受成岩、成土等地质作用的影响，没有或较少发生变化，基本保存了原始生物生化组分的碳骨架，记载了原始生物母质的相关信息，具有一定的生物学意义，这些有机分子叫分子化石。它们也叫化学化石(chemical fossil)，生物标志化合物(biomarker)等。

在气相色谱-质谱联用仪和气相色谱-热转换-同尾数比质仪等设备上才能确切观察和研究的地质体中那些来自生命活动的有机体，他们虽然经历了一定的后期变化（成岩作用、成土作用等），但基本保持了原始生物生化组分的基本碳骨架，具有明确的生物意义，这些有机分子成为分子化石（molecular fossil）或称为化学化石。

分子化石的研究已涵盖了主要的4种生物化学组分：蛋白质（和核酸）、糖类（包括几丁质）、类脂物和木质素。在这4类分子化石中，研究最广泛的是类脂物、蛋白质和核酸。相比较而言，类脂物在地质体中要稳定得多，可以在许多环境中长期存在下来，但它所携带的生物学信息较少。相反，蛋白质，特别是核酸，其所携带的生物学信息相当丰富，但它们相对要不稳定得多，仅在一些年轻的地质体中存在。另外，虽然类脂物和蛋白质是细胞膜中含量最高的组分，两者的重量大体相等，但由于蛋白质分子比类脂物分子大得多，所以就分子数目而言，类脂物要比蛋白质多得多。地质体中分子化石种类最多、分布最广的也是类脂物。生物体中的类脂物往往具有长链状双头结构，即有一个疏水端（可溶于油和有机溶剂）和一个亲水端（可溶于水）。

分子化石广泛服务于地球科学的诸多学科，如油气地球化学的油一源对比、油一油对比、油气运移，矿床有机地球化学的生物成矿作用，环境有机地球化学中的当代环境污染、过去全球变化，分子考古学（人类的进化、早期农业的发展、野生动物的驯化和家养过程、考古残骸的精确鉴定），早期生命过程等学科和研究领域。