恐龙化石就是在恐龙死后，由于身体当中的一些软组织因腐烂而慢慢消失，而且骨骼(包括牙齿）等硬体组织也会直接沉积在泥沙当中，不过处于隔绝氧气的环境下，经过几千万年甚至上亿年的一些沉积作用，骨骼完全石化而得以完好的保存。此外恐龙生活时的主要遗迹，如脚印等有时间也可以石化成化石因此而保存下来。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，它们的遗体也会越埋越深，最终变成了化石。
当恐龙快要死去并且很快地被沉积物或水下泥沙所覆盖的时候，石化过程就开始了。这些沉积物当中含有一些细小的颗粒，才会在尸体的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重大侵袭，也可隔绝氧气，抑制微生物的重大分解。恐龙的骨骼和牙齿等坚硬部分是由矿物质所构成的。恐龙化石的形成也是因为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。
在石化回归地表的重大过程当中，还会存在着许多危险。因此在成千上万的石化过程当中，周围的岩石很可能就会因此而弯曲变形，这样的恐龙化石就会被压扁。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。因此恐龙化石寻找起来会相当的费劲，所以在恐龙化石查找时一定得小心谨慎才是。
恐龙变成化石过程主要是由于恐龙的残体如牙齿和骨骼化石是最熟悉的化石，这些都被称之为体躯化石；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。这些化石是研究恐龙的主要依据，据此可以推断出恐龙的类型、数量、大小等等情况。恐龙化石的形成，让人们能够更多的去了解恐龙的一些生活习惯和习性。
恐龙的体型、生活形态等可以通过发现的化石而进行复原和推断，但恐龙的皮肤的颜色，无法找到化石的依据，所以只能根据对现有动物的认识来推测。根据古生物学家推测，大型恐龙可能会有斑纹或斑点作为保护色，颜色也会更鲜艳一些。交配期间，雄性恐龙的头部与皮肤的部分区域可能会像现代鸟类一样显现出艳丽的色彩，这样更容易获得异性的青睐。在博物馆里能够看到的恐龙其实只是库存化石中的一小部分。例如在犹他州普罗伏杨百翰大学的地球科学博物馆就贮藏了近100吨尚未剥除石膏外壳的化石。许多博物馆地下室的架子或抽屉里塞满了贴有标签的恐龙化石，其中大部分会原封不动地摆上好几年，等待科学家来研究。有些古生物学家会从一两根百年前出土没人研究或鉴定错误的骨骼中，鉴定出全新的恐龙品种。
只有少数相当特殊的地质环境能够将恐龙化石保存的十分完好，最常见的就是质地细致的一些沉积岩。而恐龙化石由于年代比较久远，因此保存起来也更不容易。由于所发现的恐龙化石的埋藏地主要有德国的索伦候芬、蒙古戈壁沙漠的火焰崖、中国云南的禄丰、中国山东诸城等。德国的索伦候芬采石场在恐龙生活的时代是个热带浅海，当时还有岛屿散布。索伦候芬的细致石灰岩层中保存有美颌龙属的化石，另外还有鱼类的纤细遗骸，以及早期鸟类始祖鸟等岛栖动物的遗骸。火焰崖蒙古戈壁沙漠的火焰崖保存了很多白垩纪晚期的动物化石，包括原角龙、窃蛋龙和迅掠龙等。从20世纪20年代发现火焰崖蕴藏着化石以来，人们已经在这里挖掘了不少闻名世界的恐龙标本。19世纪70年代，科学家们在位于美国怀俄明州的科摩断崖发现了不少恐龙的骨骼化石，其中大部分都是蜥脚类恐龙的骨骼。美国自然博物馆的科学家从19世纪90年代开始就在这里挖掘，已发现数百件标本。
月谷是一个位于阿根廷西部的荒芜的峡谷，人们从这里发现的化石中才知道恐龙的存在。从月谷发现的恐龙化石包括三叠纪晚期的喙龙类群和其他爬行动物类群，其中包括早期的兽足类恐龙始盗龙属和埃雷拉龙属。这个偏远地点发现于20世纪50年代，却一直到20世纪80年代晚期人们才知道这儿的化石蕴藏量非常丰富。禄丰中国云南禄丰县恐龙山方圆10平方千米的地区，是闻名于世的恐龙之乡。1938年考古学家在这里首次发现完整的恐龙化石，之后陆续挖掘出数十具恐龙化石。经鉴定，其中有24属30多种恐龙，是世界上最原始、最古老、最丰富、最完整的脊椎动物化石群。彭亨州2014年2月，考古学家在马来西亚彭亨州发现第一块恐龙化石。这块长2.3厘米，宽1厘米的恐龙化石是棘龙科恐龙的牙齿。这种恐龙有类似现代长吻鳄的颌部和牙齿，以鱼类为主食。马来亚大学教授曾根正敏博士说，由马来亚大学和日本大学组成的考察队在彭亨内陆一个村庄，发现了这块化石。这个牙齿化石应该出现在晚中生代，也就是说早在0.75亿到1.45亿年前的白垩纪就已经存在。棘龙科可分为鳄龙、重爪龙等种类，还不知道牙齿化石属于哪个种类。诸城龙骨涧是闻名中外的“巨型山东龙”和世界之最“巨大诸城龙”的出土地，位于诸城市吕标镇库沟村北部，距诸城市区10公里。该涧为东西走向大冲沟，长约350米，宽约100米，深约20米。
许多恐龙化石都保存在沉积岩中，除此之外，冷却的溶岩表面的化石足迹也有可能保存下来。而永远冻结在地面，例如西伯利亚的永冻土，也可以很好的保存化石。沉积岩是一种由沉积在河、海、盆地或陆地上的沉积物经固结而形成的岩石，按其成因和物质成分可分为砾岩、砂岩、泥岩等。因为组成沉积岩的砂土微粒十分细腻，可以很好地保存化石，所以在沉积岩中也包含了圆形的石块，称为结核。结核是化学变化所生成，形成原因是因为有化石的存在。水、风或人类的活动都会导致蕴藏化石的岩石出露。侵蚀中的悬崖和河岸都是寻找化石的好地点。因人类活动而使化石露出的地点，通常包括采石场、路边和营建工地。寻找有可能蕴藏化石的埋藏什么是恐龙地点时经常会用到地质图。地质图可以显示露出地表的不同类型或不同单元的岩石类型。航空摄像和卫星摄像也可以配合地质图一起使用，以便确定出露岩石的精确位置。
选择地点在发现恐龙化石的埋藏地点后，考古人员就要把化石挖掘出来。起出那些零星的小化石可能只需要一个人花上几分钟的时间，但如果是要将大块化石从坚硬的岩石中起出，就需要大批人员费时数星期或数月，侵蚀中的悬崖和河岸都是寻找化石的好地点动用各种机械工具才能完成。在此过程中，测量并记录作业细节也同样重要。探寻恐龙的最佳地点是在中生代沉积岩层露出地表或接近地表的地方。山路旁、采石场、海岸、悬崖、河岸甚至煤矿都可能是挖掘的地点。然而占地最广、恐龙蕴藏量最多又露出地表的地区多半位于崎岖的不毛之地或遥远的沙漠之中。挖掘方法在恐龙化石的挖掘中，工作人员会根据挖掘地点的不同采取不同的挖掘方式。比如在某些沙漠地区，工作人员只要把上面的沙子清除，就能整理出骨骼来。但要挖掘埋藏在硬岩石里的大骨架，就必须使用炸药、开路机或强有力的钻孔机。
清理化石在实验室里取出恐龙化石时需要特别小心。去除岩石、露出化石的精巧细部构造需要谨慎处理，也相当费时。可视需要移除的岩石多寡来决定使用的工具。在去除化石周围的岩石后，需要在化石上涂胶水和树脂来加以保护。酸剂预备作业稀释后的乙酸或甲酸可以用来溶蚀化石周围的岩石，而不会伤及化石本身。但整个作业过程必须谨慎监看，因为有时酸剂会由内部将化石分解。并且有些酸剂相当危险，可能会灼伤皮肤，因此使用者必须穿戴安全面罩、手套及防护服。学术描述与命名等化石完全准备妥当，古生物学家就可以描述化石的构造，并与相关或类似的恐龙做比较。如果有可能是新的属或种类，就要为这个化石恐龙起个新学名。拿新化石的特征和其他化石做比较，就可以把新化石纳入种系发生关系中。
恐龙化石的发现是研究恐龙最关键的一步。化石大多保存在沉积岩中，并且化石的出露也是有一定规律的。所以在寻找化石时，需要先对各种沉积岩以及它们的地质年代有所了解。新技术的采用在发现恐龙化石方面也可以助一臂之力。对恐龙的研究基本上都是基于已经发现的化石。如今，古生物学家已经能够通过先进仪器不用破坏化石就可以看到其内部，而且也可以看到过去不可能检视的内部细微构造。这可以让人们了解恐龙的生活方式、食物、成长和行动方式等，并且得知恐龙的进化谱系。恐龙化石解剖学可以提供化石恐龙本身可能的生活方式或构造的信息，还能提供该恐龙所属的类群进化的相关信息。古生物学家还可以拿某种动物的骨头来与相似类型的骨头做比较，从而阐述物种间的进化谱系关系。虽然化石恐龙的肌肉、器官等柔软组织是不可能变成化石保存下来的，但也可以用现代动物的解剖构造来与化石恐龙比较对照并推断出来。
