A paleontológia a földi élet történetével foglalkozó széles tudományterület. A paleontológusok a kövületeket, vagyis az ősi élőlények anyagi maradványait (csontok, fogak, kagylók) vagy (fizikai vagy kémiai) nyomait tanulmányozzák.
Egysejtű organizmusok fosszíliái ismertek a körülbelül 3,5 milliárd éves kőzetekből, és az élet kémiai nyomai (feltételezett biológiai eredetű szénizotópok) még ennél is korábbra nyúlhatnak vissza. Tagadhatatlan tény, hogy a fosszilis feljegyzések az élet történetének hiányos archívuma, és ez különösen igaz a rossz megőrzési képességű organizmusokra, például a lágy testű férgekre és medúzákra. A fosszilis feljegyzések minősége azonban meglepően jó a tartós csontvázzal rendelkező állatok, például a brachiopodák, a trilobiták, a puhatestűek és a gerincesek esetében.
A paleontológia tág fogalomkörébe számos részterület tartozik. A modern paleontológusok többsége a fosszíliák leírására és az evolúciótörténet, vagyis a filogenetika megfejtésére összpontosít. Ezek a “paleobiológusok” általában a fosszilis szervezetek bizonyos csoportjaira specializálódnak, mint például az egysejtű prokarióták vagy eukarióták , növények, gerinctelenek vagy gerincesek. Munkájuk révén a tudósok mélyebb megértést szereznek az élet evolúciójáról és diverzifikációjáról az idők folyamán. A tudósok jobban megismerik az evolúciós folyamatot is, mivel a fosszilis feljegyzések hosszú távon rögzítik az evolúciót működés közben. Az evolúciós változások javasolt módozatai, mint például a phyletikus fokozatosság és a szúrópróbaszerű egyensúly , közvetlenül a fosszilis feljegyzésekből származó mintákon alapulnak.
A paleontológiai kutatások másik aktív ága a paleoökológia, amely a fosszilis szervezetek és paleokörnyezetük közötti kapcsolatok és kölcsönhatások tanulmányozása. A paleoökológiai kutatással foglalkozó paleontológusok erőfeszítéseiket egyetlen taxonra összpontosíthatják . Egy paleontológus például úgy dönthet, hogy egy bizonyos fosszilis csiga ragadozó tevékenységét tanulmányozza azáltal, hogy a ragadozásának jellegzetes nyomait (fúrások) követi a kapcsolódó fosszilis kagylóhéjakon. Egy másik paleontológus megvizsgálhatja az ősi fák megkövesedett leveleit és fás szöveteit, hogy azonosítani tudja egy olyan fosszilis rovar diagnosztikus nyomait, amely a kihalt növény szöveteiben élt. Egy másik pedig a megkövesedett ürülék (az úgynevezett koprolitok) tartalmát tanulmányozhatja, hogy megfejtse egy kihalt dinoszauruszfaj táplálkozási preferenciáit és emésztési képességeit. Nagyobb léptékben a paleontológusok egész közösségek ökológiai változásait is nyomon követhetik az idők folyamán. Az ilyen típusú paleoökológiai kutatásra kiváló példa lehet az ősi növényközösségek elemzése a hosszú távú klímaváltozásra adott válaszként.
Egy másik kortárs terület a paleontológiai kutatáson belül a taphonomia, amely annak tanulmányozása, hogy a szerves maradványok hogyan épülnek be a kőzetfelvételekbe. A taphonomiai elemzések a biológiai maradványok halál utáni történetére összpontosítanak, mint például a bomlás, a szétdarabolás (a testrészek szétválasztása), a szállítás (esetleg az élőhelyről való elszállítás) és az eltemetés. A taphonomiai vizsgálatok fontos tendenciákat és torzításokat tárhatnak fel a fosszilis feljegyzésekben, amelyeket fel kell ismerni ahhoz, hogy pontos paleoökológiai és evolúciós rekonstrukciókat lehessen készíteni. A legalapvetőbb szinten a taphonomia rámutat arra, hogy a lágy testű élőlények ritkasága a fosszilis feljegyzésekben nem az eredeti élőlények ritkaságának, hanem a lágy testrészek rossz megőrzésének köszönhető.
Végül, sok paleontológus foglalkozik ma olyan kutatásokkal, amelyek közvetlenül kapcsolódnak a tömeges kihalás jelenségéhez, amely sajnos kortárs környezeti probléma is. A kihalási rekordok időbeli nyomon követésével a paleontológusok egyedülálló betekintést nyújthatnak azokba a lehetséges okokba, amelyek globális szinten egész ökoszisztémák megtizedelését okozzák, mint például a földönkívüli hatások. A nagyobb kihalási események után a biotikus helyreállítás időzítéséről és jellegéről is képet kaphatnak.