Les microfossiles sont des fossiles ou des fragments de fossiles qui ne sont visibles qu'à l'échelle du microscope ou de la loupe binoculaire. La science qui les étudie est la micropaléontologie. Certains sont si petits que l'appareil grossissant est un microscope électronique (cas des nanofossiles). Les microfossiles animaux, ou microfaune, que l'on trouve au sein des roches sédimentaires, sont le plus souvent des coquilles, des tests, des fragments d'organes (cas des encrines). Les microfossiles végétaux, ou microflore, sont plutôt des restes de tiges, feuilles, mais souvent des éléments reproducteurs, comme les spores ou les grains de pollen.
Les microfossiles peuvent être étudiés directement à partir du sédiment induré d'origine, dans une lame mince de la roche initiale, soit après lavage et tamisage à partir d'un sédiment meuble.