Een fossiele overgangsvorm is een fossiel van een organisme dat primitieve kenmerken bezit in vergelijking met de meer afgeleide levensvormen waarmee het direct verwant is. Volgens de evolutietheorie vertegenwoordigt een overgangsvorm een evolutionaire overgang.
Toen Charles Darwins boek The Origin of Species (De oorsprong der soorten) in 1859 voor het eerst uitkwam, was de kennis van het fossielenbestand nog erg onvolledig en de aanname dat er geen fossiele overgangsvormen bestonden vrij redelijk. Echter, de ontdekking van Archaeopteryx slechts twee jaar later werd gezien als een overdonderende triomf voor Darwins theorie van gemeenschappelijke afstamming. Sinds die tijd zijn er voortdurend nieuwe fossiele overgangsvormen gevonden, wat onze kennis van de evolutie van het leven steeds meer vergroot.
Vaak wordt er gesproken over een missing link, zoals die tussen mensen, apen en hun gemeenschappelijke voorouders. De term leidt echter tot misvattingen, want het wekt de indruk dat er slechts sprake is van een enkele ontbrekende schakel. In realiteit geven de opeenvolgende vondsten van meerdere fossiele overgangsvormen een steeds completer beeld van een evolutionaire overgang.
Mogelijk vond de ontwikkeling van de soorten niet geleidelijk plaats, maar in plotse sprongen, een punctuated equilibrium. Grote, fundamentele veranderingen zouden zich dan relatief plotseling hebben voltrokken, over een periode van hooguit enkele tienduizenden jaren. Een oorzaak zou een forse klimaatverandering kunnen zijn. Binnen die korte perioden kunnen wel geleidelijke overgangsvormen ontstaan, waarna de soorten weer zeer langdurig stabiel blijven en geen wezenlijke veranderingen ondergaan. Deze hypothese werd geopperd door Steven Stanley.[1] Een aanhanger van deze theorie is Stephen Jay Gould.