最初来自生物体、存在于沉积岩和沉积物中的、分子碳骨架结构与生物体中有机分子的化学结构差别很小或根本没有差别的有机化合物。又称分子化石。例如岩石抽提物或原油中检出的藿烷类、甾烷类和四吡咯色素化合物，分别是由生物体中的细菌藿烷四醇、甾醇类和叶绿素转化而来的生物标志化合物。目前在有机地球化学研究中，尚应用一些分子级化合物，如芳香烃中的萘、菲类、非烃中的二苯并噻吩类、咔唑类等作为标志化合物，它们由何种生物体转化而来尚不清楚，则只能称它们为分子标志物，生物标志化合物是分子标志物中的一类。

常见的生物标志物有：开链烃类，主要有正构烷烃类；支链烃类（包括开链异戌间二烯烃类）；环烃类，主要为甾、萜类化合物等；其中含杂原子（O、S、N）的醇、酮、酸、酯类含氧化合物和含硫、含氮化合物等，统称为非烃类生物标志化合物。绝大多数石油都含有生物标志物，有些石油甚至含量很高，已成为石油有机成因学说的有力证据（见油气有机成因说）。生物标志化合物用于油—油、油—岩对比、研究油、气二次运移方向，提供原油的母源性质、烃源岩沉积环境的信息，可进一步探索可能的新的勘探区带。也可用于评价热成熟度和原油的生物降解，为合理评价盆地中石油的分布、生产能力和经济价值提供重要资料。生物标志化合物是石油生成、盆地热史等理论研究的有效手段之一，也可应用于油田开发、环境监测，因此生物标志物已成为有机地球化学研究的重要工具。

生物标志化合物在应用中有一定的局限性，如烃源岩或原油的成熟度很高时，生物标志化合物的浓度极低，致使仪器已无法检出。