Palæontologi er et bredt forskningsområde, der fokuserer på livets historie på Jorden. Fossiler, som er de materielle rester (knogler, tænder, skaller) eller spor (fysiske eller kemiske) af gamle organismer, er det, som palæontologer studerer.
Fossiler af encellede organismer er kendt fra bjergarter, der er ca. 3,5 milliarder år gamle, og kemiske spor af liv (kulstofisotoper af formodet biologisk oprindelse) kan strække sig endnu længere tilbage i tiden. Det er en ubestridelig kendsgerning, at de fossile optegnelser er et ufuldstændigt arkiv over livets historie, og dette gælder især for organismer med ringe bevaringsmuligheder, såsom blødkødede orme og vandmænd. Kvaliteten af de fossile optegnelser er imidlertid overraskende god for de dyr med holdbare skeletter, f.eks. brachiopoder, trilobitter, bløddyr og hvirveldyr.
Mange underområder falder ind under den brede overskrift palæontologi. Størstedelen af de moderne palæontologer fokuserer deres indsats på at beskrive fossiler og tyde udviklingshistorien eller fylogenien. Disse “palæobiologer” har en tendens til at specialisere sig i bestemte grupper af fossile organismer, f.eks. encellede prokaryoter eller eukaryoter , planter, hvirvelløse dyr eller hvirveldyr. Gennem deres arbejde opnår forskerne en dybere forståelse af livets udvikling og diversificering gennem tiden. Forskerne får også en bedre forståelse af den evolutionære proces, fordi de fossile optegnelser giver et langtidsbillede af evolutionen i praksis. Faktisk er de foreslåede former for evolutionære forandringer, såsom fyletisk gradualisme og punktuel ligevægt , baseret på mønstre, der stammer direkte fra de fossile optegnelser.
En anden aktiv gren af den palæontologiske forskning er palæoøkologien, som er studiet af forholdet og samspillet mellem fossile organismer og deres palæomiljøer. Palæontologer, der beskæftiger sig med palæoøkologisk forskning, kan fokusere deres indsats på en enkelt taxon . En palæontolog kan f.eks. vælge at studere en bestemt fossil snegls rovdrift ved at spore tydelige spor af dens rovdrift (boringer) i tilhørende fossile toskallede skaller. En anden palæontolog kan undersøge de fossile blade og trævæv fra gamle træer for at identificere diagnostiske spor af et fossilt insekt, der levede af at leve i den uddøde plantes væv. En anden kan undersøge indholdet af fossileret afføring (kaldet koprolitter) for at afkode en uddød dinosaurart med hensyn til kostpræferencer og fordøjelseskapacitet. På en større skala kan palæontologer vælge at følge økologiske ændringer i hele samfund gennem tiden. Et godt eksempel på denne type palæoøkologisk forskning er analysen af gamle plantesamfund som reaktion på langsigtede klimaændringer.
Endnu et andet moderne område inden for palæontologisk forskning er taphonomi, som er studiet af, hvordan organiske rester indarbejdes i bjergarterne. Taphonomiske analyser fokuserer på biologiske levns post mortem-historie, f.eks. forrådnelse, disartikulering (adskillelse af kropsdele), transport (måske ud af levestedet) og begravelse. Taphonomiske undersøgelser kan afsløre vigtige tendenser og skævheder i de fossile optegnelser, som skal erkendes, hvis man ønsker at foretage nøjagtige palæoøkologiske og evolutionære rekonstruktioner. På det mest grundlæggende niveau påpeger taphonomien, at knapheden af blødkødede væsener i de fossile optegnelser ikke skyldes knaphed på de oprindelige organismer, men at de bløde kropsdele er dårligt bevaret.
Endelig er mange palæontologer i dag beskæftiget med forskning, der er direkte relateret til fænomenet masseudryddelse, som desværre også er et nutidigt miljøproblem. Ved at følge optegnelserne over uddøen gennem tiden kan palæontologer give en unik indsigt i de potentielle agenser, der forårsager decimering af hele økosystemer i global skala, såsom udenjordiske påvirkninger. De kan også få et indblik i tidspunktet for og arten af biotisk genopretning efter større udryddelser.