恐龙死亡后，身体中的软组织因腐烂而消失，骨骼及牙齿等硬体组织沉没在泥沙中，处于隔氧环境下，经过几千万年的沉积作用，骨骼完全石化而得以保存。此外，恐龙生活时的遗迹，如脚印、恐龙蛋等有时也可以石化成化石保存下来。
死去与掩埋
当恐龙死去并很快地被沉积物或水下泥沙所覆盖时，石化过程就开始了。这些沉积物中含有细小的颗粒，会在尸体表面形成一层松软的覆盖物。这条“毯子”可保护动物尸体免受食腐动物的侵袭，也可隔绝氧气，抑制微生物的分解。
石化过程
恐龙的骨骼和牙齿等坚硬部分，是由矿物质构成的，矿物质在地下往往会分解和重新结晶，变得更为坚硬，这一过程被称为“石化过程”。随着上面沉积物的不断增厚，遗体越埋越深，最终变成了化石，而周围的沉积物也变成了坚硬的岩石。这个过程是极其缓慢的。
回归地表
在化石回归地表的过程中，还有许多危险。在成千上万年的石化过程中，周围的岩石可能会弯曲变形，这样化石就会被压扁，另外，地壳底部的高温也有可能让化石熔化。逃过这些劫难后，还得有人赶在化石从周围岩层中分离前找到它，否则化石就会碎裂消失。
恐龙化石的类别
恐龙残体如牙齿和骨骼化石是我们最熟悉的化石，这些都称为体躯化石；至于恐龙的遗迹（包括足迹、巢穴、粪便或觅食痕迹）也有可能形成化石保存下来，这些则被称为生痕化石。这些化石是我们研究恐龙的主要依据，据此我们可以推断出恐龙的类型、数量、大小等等情况。