在四五亿年前的寒武纪，地球海洋中出现了一群笔石动物。他们的软体部分个头不大，却长出了长长的骨骼，形成了一根根笔石枝。到了两三亿年前的石炭纪，笔石动物绝灭了，但它的化石却在穿越几亿年后成为了人类的好帮手。
笔石是笔石动物的化石，由于其保存状态是压扁成了碳质薄膜，很像铅笔在岩石层上书写的痕迹，因此才被科学家叫做“笔石”。
笔石是奥陶纪最奇特的海洋动物类群，它们自早奥陶世开始即已兴盛繁育，分布广泛。笔石是一类微小的蠕虫状生物，它们像今天的珊瑚虫一样群体生活。整个笔石群体仅有5厘米长，它们漂流在海面上，吃浮游生物，和今天鲸类所吃的大量微小海洋生物是一样的。笔石对于科学家来说是特别重要的，因为它们在一个较长的时期里是逐渐变化的。科学家能够根据共同发现的笔石的种类判定其他海洋生物化石的年龄。
笔石是对笔石纲化石的统称，是一类已灭绝的海洋群体生物，通常隶属于半索动物门笔石纲。笔石虫体所分泌的骨骼，称为笔石体。笔石体一般大小为几厘米或几十厘米，较大的可达70cm或更长。1966年富卡尔特和热尼奥的分析结果表明，笔石骨骼中不含几丁质，但有甘氨酸、丙氨酸等多种氨基酸，这些氨基酸可能来源于硬蛋白，透射电镜下所显示的骨骼超微结构有蛋白骨胶原的外表，很可能其物质成分为骨胶原。因此，笔石体的成分似乎是一个非几丁质的有机物。
笔石一般被分成6个目：树形笔石目、管笔石目、腔笔石目、甲壳笔石目、茎笔石目和正笔石目。其中最常见的和研究较详细的是树形笔石目和正笔石目。
根据化石保存的状态、共生动物的类别以及笔石动物自身的骨骼构造，科学家推测一部分笔石动物在海底营底栖固着生活，例如大部分的树形笔石，它们有固定的茎、根等构造；另一部分笔石动物营漂浮生活，例如正笔石，它们具有叫做“线管”的丝状体，用来附着在漂浮体上。
笔石动物可以与腕足动物和三叶虫等动物的化石共生。但是也有一些特定的环境里只有漂浮笔石而没有其它生物或是仅有极少的浮游生物伴生。
笔石通常保存在黑色页岩中，即一般所说的“笔石相页岩”。究其原因可能是因为当时的沉积环境海水较为平静，海底还原作用强，氧气不足，含有较多的硫化氢，不适宜底栖生物生存，但是在这样的环境里营漂浮生活的笔石可以在表层水体中生活，死后尸体沉入水底变成化石；另一种原因则可能是因为当笔石从正常的水体漂浮到这种不宜生存的水体中时，便大量死亡并沉入海底，而海底底栖动物稀少，没有将这些笔石尸体“消灭”掉，它们就大量保存下来并变成了化石。除了页岩之外，在细砂岩、粉砂岩或灰岩中也能发现一些笔石化石。
笔石的地理分布很广，演化快，同一物种可以在世界上许多洲发现。根据笔石演化的阶段特征及特殊类型的地质历程，在地层对比中有独特的价值。
笔石在地史上的分布时期相当长，初见于中寒武世，至早石炭世后期绝灭。由于各类笔石的生活方式不同，其分布情况也不一样。一般说来，树形笔石亚目的地理分布比较零星，地区性色彩浓厚，地质历程比较长（从寒武纪到石炭纪都有），地层意义不大。正笔石式树形笔石亚目，地理分布广，地质历程短，主要产于早奥陶世新厂期（特马豆克期），地层意义较大。腔笔石目、茎笔石目、甲壳笔石目和管笔石目发现的资料少，前三个目分布在欧洲奥陶纪，后一个目见于欧洲奥陶纪及志留纪和中国贵州的早奥陶世及四川的早志留世。正笔石目的地理分布最广，地质历程短，限于奥陶纪、志留纪及早泥盆世；其中无轴亚目（除个别分子可上延至早志留世外）仅限于奥陶纪；隐轴亚目限于早奥陶世宁国期及中奥陶世胡乐期；有轴亚目从早奥陶世宁国期至早泥盆世均有存在。由于正笔石是营漂浮生活的，因此它的地理分布相当广泛，加之这类笔石进化迅速，地质历程短，很多属种成为重要的“标准化石”，对划分和对比地层有重要意义。中国含笔石地层发育，笔石序列完整，从上寒武统到下泥盆统共建立了57个笔石带。
依据不同时代笔石群的发育状况，从奥陶纪到早泥盆世可划分出 4个笔石动物群。早奥陶世早期为反称笔石动物群，早奥陶世晚期为对笔石动物群。中晚奥陶世是叉笔石－双笔石动物群。志留纪至早泥盆世为单笔石动物群，又可分为8个亚群，其中早泥盆世为新单笔石动物亚群。这些笔石动物群和笔石带的建立，对含笔石地层的划分与对比起了重要作用。目前世界各国对奥陶系、志留系及泥盆系的划分虽然不尽一致，但笔石带的顺序则是基本一致的。这为洲际间奥陶系、志留系及下泥盆统的相互对比提供了标准，有了可靠的化石依据。管笔石目、腔笔石目、茎笔石目和甲壳笔石目地理分布狭窄，地层意义不大。
根据笔石动物群的性质及其分布，全世界笔石动物群基本上有两个类型，一是太平洋笔石动物群，在中国为华南型，二是大西洋（欧洲）笔石动物群，在中国为华中型。中国笔石种类繁多，所谓两大动物区的特征分子，几乎都在中国出现；同时，还有不少中国特有的分子，有不少在演化上的关键属种在中国出现得最早。
在黑色页岩中除笔石外，有时还见到少量营漂浮生活的无铰纲腕足类和胡桃虾，没有底栖动物存在。这代表滞流海的还原环境，海底硫化氢含量高，而缺乏氧气，底栖生物一般不能生存。因此黑色笔石页岩成为指相标志，这对恢复古地理、古环境具有重要作用。此外，在缺氧条件下的沉积物中，有机碳和某些金属（如金、钒、钼、铀等的化合物）含量高，因此，研究黑色笔石页岩具有重要的经济价值。
笔石被作为判定地层年代的黄金卡尺，更在能源资源勘探中起着独特而重要的作用。