La mayor parte de la información existente sobre la evolución del tiburón la obtenemos de sus ~fósiles~, que pueden consistir en restos de partes de sus cuerpos o bien en impresiones de los mismos dejadas en las rocas. La Paleontología, o estudio de los fósiles, sólo ha existido como ciencia cerca de 150 años. Así, aun teniendo la historia de los tiburones más de 400 millones de años, el estudio de los restos de estos animales se encuentra todavía en la infancia. 

Los fósiles más comunes de tiburón son dientes, espinas de aleta y vértebras. Muy raramente se conservan esqueletos completos, ya que tras la muerte del animal su blando cartílago se descompone con rapidez. Por otro lado, los dientes fósiles existen en abundancia, no sólo porque son duros y se conservan bien, sino porque el tiburón pierde miles de ellos a lo largo de su vida. Algunos de estos dientes fósiles más peculiares son los pertenecientes al predecesor ya extinto del gran tiburón blanco: el Carcharodon megalodon. Este prehistórico tiburón alcanzaba casi 20 metros de longitud, midiendo algunos de sus dientes de 16 a 19 cm.

Los fósiles de tiburón se encuentran en todas las áreas continentales del mundo. En los Estados Unidos, las áreas ricas en restos fósiles incluyen las costas de los océanos Atlántico y Pacífico, y también las del Golfo de Méjico. Sin embargo, los fósiles no están exclusivamente en las zonas de playa. Gran parte de la tierra que vemos hoy día era antaño hogar de numerosos peces, por lo que los fósiles también se hallan en lugares como los estados de Montana, Tennessee y Kentucky. También han extraído gran cantidad de dientes fósiles de sitios como los Calvert Cliffs, zona de abundantes acantilados en la orilla oeste de la Bahía de Chesapeake, del estado de Maryland y en un área conocida como Sharktooth Hill, o colina de dientes de tiburón, en California. En el siglo XlX, los restos de un cladodonte Cladoselache fueron hallados en los Cleveland Shales a lo largo de las orillas meridionales del Lago Erie. El hallazgo de estos restos fósiles fueron relevantes ya que incluían no sólo dientes y vértebras, sino también las estructuras de algunos órganos internos como los riñones y músculos.

Los fósiles proporcionan un importante enlace a los científicos entre el pasado y el presente de los tiburones. Por ejemplo, analizando los dientes los investigadores suelen identificar la edad y los hábitos de alimentación de un tiburón, pero sólo con los dientes o espinas de aleta como punto de referencia resulta, a veces, imposible determinar con precisión sus características físicas o hábitos. Por ello la historia evolutiva del tiburón permanece incompleta. Los especialistas en la materia aún no han sido capaces de crear un informe completo de fósiles que demuestre una paulatina transición de especie a especie.