Los fósiles vegetales son restos de plantas que han perdurado a lo largo del tiempo, ofreciendo pistas sobre la evolución de la vida en la Tierra.
Aunque no se han encontrado fósiles que muestren los primeros organismos con función clorofílica, se estima que estos existieron hace más de mil millones de años.
Los fósiles más antiguos, como ciertos musgos y algas, nos ayudan a entender la diversidad y complejidad de las plantas a lo largo de las eras geológicas.
Aunque no existe fósil alguno capaz de revelar cuáles fueron los primitivos organismos en que se verificó por primera vez la función clorofílica, cabe suponer que ello debió ocurrir mucho antes de lo que se puede deducir de los testimonios fósiles registrados en el árbol genealógico de los vegetales; quizás aconteció este hecho hace más de mil millones de años (v. Eras geológicas) . Ciertos fósiles del Precámbrico, las algas azules, por ejemplo, se han considerado como plantas primitivas a pesar de su dudoso estado de conservación. Las vasculares aparecen en el Paleozoico. Los fósiles más antiguos están representados por musgos australianos de fines del Silúrico, mientras otros grupos pertenecen sin duda al Devónico. Estas plantas vasculares primitivas sugieren algunos de los tipos estructurales básicos que aparecen más tarde en las siguientes formas evolutivamente desarrollados. Así podemos creer que todos los grupos vasculares importantes estaban ya representados por formas precursoras en los tiempos del Devónico y tal vez incluso antes. Algunos de ellos alcanzan su máximo desarrollo en el Carbonífero superior.
Los licopodiales y equisetales fueron los representantes típicos de los bosques pantanosos de aquellos tiempos, como los son hoy día las coniferas en muchas partes del mundo. También existieron entonces los grandes vegetales de la «Edad del carbón», de la clase de las cordaitales, plantas de tipo arbóreo de alto y robusto tallo, hojas lineales o lanceoladas acumuladas en las extremidades de las ramas, vegetales que podrían haber sido antecesores de ciertas formas, afines de las coniferas, extinguidas hoy día. Hacia el final del Paleozoico los grandes helechos y otros vegetales análogos, lo mismo que las coniferas primitivas, dieron lugar a la aparición de formas de porte más moderno, como los cicas, ginkgo y las coniferas actuales. Sin embargo, antes del final del Mesozoico, estos tipos perdieron también su preeminencia y entonces aparecieron las angiospermas, que pronto invadieron el mundo durante el Cenozoico y que, actualmente, mantienen el predominio. Es de presumir que este grupo no hizo su aparición repentinamente, sino que antes hubieron de sufrir un largo periodo de acomodación a las condiciones climáticas reinantes antes de esparcirse por todo el globo.
Es posible que la rápida y diversa evolución de las angiospermas vaya ligada con la evolución concomitante de los insectos, agentes polinizadores de la mayoría de las plantas florales. Varios grupos de vasculares que existen hoy día estuvieron abundantemente representadas en el Paleozoico, pero actualmente han quedado reducidas a unos pocos representantes. El género Equisetum es un ejemplo de supervivencia de aquellos tiempos, así como ciertos helechos y gimnospermas. Con el mejoramiento de la técnica y una búsqueda más intensa de fósiles y mejor análisis de los mismos se podría ampliar el conocimiento del Terciario y de sus floras primarias para cotejarlas con las actuales a fin de descubrir el posible origen y las leyes de distribución de muchos vegetales contemporáneos. A la vez, el comportamiento genético y las variaciones hereditarias estudiadas y observadas en las plantas actuales pueden servir de base para llegar al conocimiento de los procesos rectores de la evolución del reino vegetal y del curso que ésta ha seguido.
