I oktober 1666 fanget to fiskere en svær hai nær byen Livorno, og Ferdinando II de' Medici, storhertug av Toscana, beordret dets hode oversendt til Stensen. Stensen dissekerte hodet og offentliggjorde sine funn i 1667. Han bemerket at haitennene minnet sterkt om visse steingjenstander som tidligere var funnet i bergformasjoner, gjenstander som hans lærde samtidige kalte eller «tungesteiner». Dette, innså Niels Stensen, var fossile haitenner. På bakgrunn av dette, og av forstenede snegler, ble han i stand til å forklare fenomenet fossiler. Det var han som bidro til vitenskapen med den innsikt at fossilene var rester av en gang levende organismer, og ikke en slags naturlige steinutvekster slik mange på den tid tentativt antok. Slik blant annet Stensens kjente og lærde samtidige, pater Athanasius Kircher, som på aristotelisk vis formodet at det var en iboende egenskap ved jorden at den var i besittelse av «en forsteinende dygd som gjennomsyret hele geokosmos».