Paleontologie je široký obor, který se zaměřuje na historii života na Zemi. Paleontologové studují zkameněliny, což jsou hmotné pozůstatky (kosti, zuby, schránky) nebo stopy (fyzikální nebo chemické) dávných organismů.
Fosilie jednobuněčných organismů jsou známy z hornin starých přibližně 3,5 miliardy let a chemické stopy života (izotopy uhlíku předpokládaného biologického původu) mohou sahat ještě dále do minulosti. Je nepopiratelným faktem, že fosilní záznam je neúplným archivem historie života, což platí zejména pro organismy se špatnou možností uchování, jako jsou měkkotělní červi a medúzy. Kvalita fosilního záznamu je však překvapivě dobrá u živočichů s odolnou kostrou, jako jsou ramenonožci, trilobiti, měkkýši a obratlovci.
Pod širokou hlavičku paleontologie spadá mnoho podoborů. Většina moderních paleontologů zaměřuje své úsilí na popis zkamenělin a rozluštění evoluční historie neboli fylogeneze. Tito „paleobiologové“ se obvykle specializují na určité skupiny fosilních organismů, jako jsou jednobuněčná prokaryota nebo eukaryota , rostliny, bezobratlí nebo obratlovci. Díky jejich úsilí vědci získávají hlubší znalosti o vývoji a diverzifikaci života v průběhu času. Vědci také lépe pochopí evoluční proces, protože fosilní záznamy poskytují dlouhodobý záznam evoluce v akci. Navrhované způsoby evolučních změn, jako je fyletický gradualismus a přerušovaná rovnováha , jsou totiž založeny na vzorcích odvozených přímo z fosilního záznamu.
Dalším aktivním odvětvím paleontologického výzkumu je paleoekologie, což je studium vztahů a interakcí mezi fosilními organismy a jejich paleoprostředím. Paleontologové zabývající se paleoekologickým výzkumem mohou zaměřit své úsilí na jeden taxon . Paleontolog se například může rozhodnout studovat dravé aktivity určitého fosilního plže sledováním charakteristických stop po jeho dravosti (vrtů) v souvisejících fosilních schránkách mlžů. Jiný paleontolog může zkoumat zkamenělé listy a dřevní tkáně dávných stromů, aby identifikoval diagnostické stopy fosilního hmyzu, který se živil v tkáních vyhynulé rostliny. Jiný může zkoumat obsah zkamenělých výkalů (tzv. koprolitů), aby rozluštil stravovací preference a trávicí schopnosti vyhynulého druhu dinosaura. Ve větším měřítku se paleontologové mohou rozhodnout sledovat ekologické změny celých společenstev v průběhu času. Ukázkovým příkladem tohoto typu paleoekologického výzkumu může být analýza dávných rostlinných společenstev v reakci na dlouhodobé změny klimatu.
Dalším současným oborem v rámci paleontologického výzkumu je tafonomie, což je studium toho, jak se organické pozůstatky začleňují do horninového záznamu. Tafonomické analýzy se zaměřují na postmortální historii biologických pozůstatků, jako je rozklad, disartikulace (oddělení částí těla), transport (třeba mimo životní prostředí) a pohřbení. Tafonomické studie mohou odhalit důležité trendy a zkreslení ve fosilním záznamu, které je třeba rozpoznat, aby bylo možné vytvořit přesné paleoekologické a evoluční rekonstrukce. Na nejzákladnější úrovni tafonomie poukazuje na to, že nedostatek tvorů s měkkým tělem ve fosilním záznamu není způsoben nedostatkem původních organismů, ale špatným zachováním měkkých částí těla.
V neposlední řadě se dnes mnoho paleontologů zabývá výzkumem přímo souvisejícím s fenoménem masového vymírání, které je bohužel i současným environmentálním problémem. Sledováním záznamů o vymírání v čase mohou paleontologové poskytnout jedinečné poznatky o možných činitelích, kteří způsobují decimování celých ekosystémů v globálním měřítku, jako jsou například mimozemské dopady. Mohou také získat představu o načasování a povaze obnovy bioty po velkých vymíráních.