Die Paläontologie ist ein breites Studiengebiet, das sich mit der Geschichte des Lebens auf der Erde beschäftigt. Paläontologen untersuchen Fossilien, d.h. materielle Überreste (Knochen, Zähne, Muscheln) oder Spuren (physikalisch oder chemisch) von alten Organismen.
Fossilien von Einzellern sind aus Gesteinen bekannt, die etwa 3,5 Milliarden Jahre alt sind, und chemische Spuren von Leben (Kohlenstoffisotope, die vermutlich biologischen Ursprungs sind) reichen möglicherweise noch weiter in die Vergangenheit zurück. Es ist eine unbestreitbare Tatsache, dass die Fossilien ein unvollständiges Archiv der Geschichte des Lebens sind, und dies gilt insbesondere für Organismen mit schlechtem Erhaltungspotenzial, wie z. B. Weichkörperwürmer und Quallen. Überraschend gut ist die Qualität der Fossilien jedoch bei Tieren mit haltbaren Skeletten, wie Brachiopoden, Trilobiten, Mollusken und Wirbeltieren.
Unter dem Oberbegriff Paläontologie werden viele Teilgebiete zusammengefasst. Die meisten modernen Paläontologen konzentrieren sich auf die Beschreibung von Fossilien und die Entschlüsselung der Evolutionsgeschichte (Phylogenie). Diese „Paläobiologen“ spezialisieren sich in der Regel auf bestimmte Gruppen fossiler Organismen, z. B. einzellige Prokaryoten oder Eukaryoten, Pflanzen, Wirbellose oder Wirbeltiere. Durch ihre Arbeit gewinnen die Wissenschaftler ein tieferes Verständnis für die Entwicklung und Diversifizierung des Lebens im Laufe der Zeit. Die Wissenschaftler gewinnen auch ein besseres Verständnis für den Evolutionsprozess, da die fossilen Aufzeichnungen den Langzeitnachweis der Evolution in Aktion liefern. In der Tat basieren die vorgeschlagenen Formen des evolutionären Wandels, wie der phyletische Gradualismus und das punktuelle Gleichgewicht, auf Mustern, die direkt aus dem Fossilbericht abgeleitet wurden.
Ein weiterer aktiver Zweig der paläontologischen Forschung ist die Paläoökologie, d. h. die Untersuchung der Beziehungen und Wechselwirkungen zwischen fossilen Organismen und ihrer Paläoumwelt. Paläontologen, die sich mit paläoökologischer Forschung befassen, können ihre Bemühungen auf ein einziges Taxon konzentrieren. So kann ein Paläontologe beispielsweise die räuberischen Aktivitäten einer bestimmten fossilen Schnecke untersuchen, indem er die charakteristischen Spuren ihrer Räuberei (Bohrungen) in den zugehörigen fossilen Muschelschalen verfolgt. Ein anderer Paläontologe kann die versteinerten Blätter und holzigen Gewebe alter Bäume untersuchen, um diagnostische Spuren eines fossilen Insekts zu finden, das in den Geweben der ausgestorbenen Pflanze lebte. Ein anderer untersucht den Inhalt versteinerter Fäkalien (Koprolithen genannt), um die Ernährungspräferenzen und Verdauungsfähigkeiten einer ausgestorbenen Dinosaurierart zu entschlüsseln. In größerem Maßstab können Paläontologen auch ökologische Veränderungen in ganzen Gemeinschaften im Laufe der Zeit verfolgen. Ein Paradebeispiel für diese Art der paläoökologischen Forschung wäre die Analyse alter Pflanzengemeinschaften als Reaktion auf langfristige Klimaveränderungen.
Ein weiteres aktuelles Gebiet innerhalb der paläontologischen Forschung ist die Taphonomie, d.h. die Untersuchung, wie organische Überreste in das Gestein eingebaut werden. Taphonomische Analysen konzentrieren sich auf die postmortale Geschichte biologischer Überreste, wie Verwesung, Exartikulation (Abtrennung von Körperteilen), Transport (möglicherweise aus dem Lebensraum) und Bestattung. Taphonomische Studien können wichtige Trends und Verzerrungen im Fossilbericht aufzeigen, die erkannt werden müssen, um genaue paläoökologische und evolutionäre Rekonstruktionen zu erstellen. Auf der grundlegendsten Ebene weist die Taphonomie darauf hin, dass der Mangel an Weichkörpern im Fossilbericht nicht auf den Mangel an den ursprünglichen Organismen zurückzuführen ist, sondern auf die schlechte Erhaltung der weichen Körperteile.
Schließlich beschäftigen sich viele Paläontologen heute mit Forschungen, die in direktem Zusammenhang mit dem Phänomen des Massenaussterbens stehen, das leider auch ein aktuelles Umweltproblem darstellt. Indem sie das Aussterben im Laufe der Zeit verfolgen, können Paläontologen einzigartige Einblicke in die möglichen Ursachen für die Dezimierung ganzer Ökosysteme auf globaler Ebene gewinnen, wie z. B. extraterrestrische Einflüsse. Sie können auch den Zeitpunkt und die Art der biotischen Erholung nach großen Aussterbeereignissen besser einschätzen.