Paleontologia on laaja tutkimusala, joka keskittyy elämän historiaan maapallolla. Paleontologit tutkivat fossiileja, jotka ovat muinaisten eliöiden aineellisia jäänteitä (luita, hampaita, kuoria) tai jälkiä (fysikaalisia tai kemiallisia).
Yksisoluisten eliöiden fossiileja tunnetaan noin 3,5 miljardin vuoden ikäisistä kivistä, ja elämän kemialliset jäljet (hiili-isotoopit, joiden oletetaan olevan biologista alkuperää) saattavat ulottua vielä kauemmas ajassa taaksepäin. On kiistaton tosiasia, että fossiiliaineisto on epätäydellinen arkisto elämän historiasta, ja tämä pätee erityisesti organismeihin, joiden säilymismahdollisuudet ovat heikot, kuten pehmytkudosmatoihin ja meduusoihin. Fossiiliaineiston laatu on kuitenkin yllättävän hyvä niiden eläinten osalta, joilla on kestävä luuranko, kuten brachiopodit, trilobiitit, nilviäiset ja selkärankaiset.
Paleontologian laajan otsikon alle kuuluu monia osa-alueita. Suurin osa nykyajan paleontologeista keskittyy fossiilien kuvaamiseen ja evoluutiohistorian eli fylogenian selvittämiseen. Nämä ”paleobiologit” erikoistuvat yleensä tiettyihin fossiilisten organismien ryhmiin, kuten yksisoluisiin prokaryootteihin tai eukaryootteihin , kasveihin, selkärangattomiin tai selkärankaisiin. Heidän työnsä avulla tutkijat saavat syvällisemmän käsityksen elämän evoluutiosta ja monipuolistumisesta ajan kuluessa. Tutkijat saavat myös paremman käsityksen evoluutioprosessista, koska fossiiliset tallenteet tarjoavat pitkän aikavälin tallenteen evoluutiosta toiminnassa. Ehdotetut evoluution muutostavat, kuten fysikaalinen asteittaisuus ja pistemäinen tasapaino , perustuvat suoraan fossiilirekisteristä saatuihin malleihin.
Toinen aktiivinen paleontologisen tutkimuksen haara on paleoekologia, joka on fossiilisten eliöiden ja niiden paleoympäristöjen välisten suhteiden ja vuorovaikutusten tutkimista. Paleoekologista tutkimusta tekevät paleontologit saattavat keskittyä yhteen taksoniin . Paleontologi voi esimerkiksi tutkia tietyn fossiilisen etanan saalistustoimintaa jäljittämällä sen saalistusjälkiä (porausjälkiä) siihen liittyvissä fossiilisissa simpukkakuorissa. Toinen paleontologi voi tutkia muinaisten puiden fossiilisia lehtiä ja puukudoksia löytääkseen diagnostisia jälkiä fossiilisesta hyönteisestä, joka sai elantonsa kuolleen kasvin kudoksissa. Toinen voi tutkia fossiilisten ulosteiden (ns. koproliittien) sisältöä selvittääkseen sukupuuttoon kuolleen dinosauruslajin ruokavaliota ja ruoansulatuskykyä. Suuremmassa mittakaavassa paleontologit voivat halutessaan seurata kokonaisten yhteisöjen ekologisia muutoksia ajan myötä. Esimerkkinä tällaisesta paleoekologisesta tutkimuksesta voidaan mainita muinaisten kasviyhteisöjen analysointi vastauksena pitkän aikavälin ilmastonmuutokseen.
Vielä yksi nykyaikainen paleontologiseen tutkimukseen kuuluva ala on taponomia eli sen tutkiminen, miten orgaaniset jäännökset sulautuvat kallioperään. Taphonomisissa analyyseissä keskitytään biologisten jäännösten kuolemanjälkeiseen historiaan, kuten hajoamiseen, disartikulaatioon (ruumiinosien erottamiseen), kuljetukseen (mahdollisesti pois elinympäristöstä) ja hautaamiseen. Taphonomiset tutkimukset voivat paljastaa tärkeitä suuntauksia ja vääristymiä fossiiliaineistossa, jotka on tunnistettava, jotta voidaan tuottaa tarkkoja paleoekologisia ja evolutiivisia rekonstruktioita. Yksinkertaisimmillaan taphonomia osoittaa, että pehmeärunkoisten olentojen vähäisyys fossiilirekisterissä ei johdu alkuperäisten organismien vähäisyydestä vaan pehmeiden ruumiinosien huonosta säilyvyydestä.
Lopuksi totean, että monet paleontologit tekevät nykyään tutkimusta, joka liittyy suoraan joukkosukupuuttoilmiöön, joka on valitettavasti myös nykyaikainen ympäristökysymys. Seuraamalla sukupuuttoa ajassa paleontologit voivat tarjota ainutlaatuista tietoa mahdollisista tekijöistä, jotka aiheuttavat kokonaisten ekosysteemien häviämisen globaalissa mittakaavassa, kuten maan ulkopuoliset vaikutukset. He voivat myös saada käsityksen suurten sukupuuttoon kuolemistapahtumien jälkeisen biologisen elpymisen ajoituksesta ja luonteesta.