Paleontologie is een breed studiegebied dat zich richt op de geschiedenis van het leven op aarde. Fossielen, dat zijn de materiële resten (botten, tanden, schelpen) of sporen (fysisch of chemisch) van oude organismen, zijn wat paleontologen bestuderen.
Fossielen van eencellige organismen zijn bekend uit gesteenten van ongeveer 3,5 miljard jaar oud, en chemische sporen van leven (koolstofisotopen van vermoedelijk biologische oorsprong) kunnen zelfs nog verder terug in de tijd reiken. Het is een onweerlegbaar feit dat het fossielenbestand een onvolledig archief is van de geschiedenis van het leven, en dit geldt vooral voor organismen die slecht kunnen worden bewaard, zoals wormen met zachte lichamen en kwallen. De kwaliteit van het fossielenbestand is echter verrassend goed voor die dieren met duurzame skeletten, zoals brachiopoden, trilobieten, weekdieren en gewervelde dieren.
Onder de brede noemer van de paleontologie vallen vele deelgebieden. De meeste moderne paleontologen richten hun inspanningen op het beschrijven van fossielen en het ontcijferen van de evolutionaire geschiedenis, of fylogenie. Deze “paleobiologen” hebben de neiging zich te specialiseren in bepaalde groepen fossiele organismen, zoals eencellige prokaryoten of eukaryoten, planten, ongewervelden of gewervelde dieren. Door hun inspanningen krijgen wetenschappers een beter inzicht in de evolutie en diversificatie van het leven door de tijd heen. Wetenschappers krijgen ook een beter inzicht in het evolutieproces, omdat het fossielenbestand een langetermijnverslag is van de evolutie in actie. Voorgestelde wijzen van evolutionaire verandering, zoals het fyletisch gradualisme en het gepuncteerd evenwicht, zijn namelijk gebaseerd op patronen die rechtstreeks uit het fossielenbestand zijn afgeleid.
Een andere actieve tak van paleontologisch onderzoek is de paleoecologie, dat is de studie van de relaties en interacties tussen fossiele organismen en hun paleo-omgevingen. Paleontologen die zich bezighouden met paleoecologisch onderzoek kunnen hun inspanningen richten op een enkel taxon. Een paleontoloog kan er bijvoorbeeld voor kiezen de roofactiviteiten van een bepaalde fossiele slak te bestuderen door de kenmerkende sporen van zijn predatie (boringen) in de schelpen van de bijbehorende fossiele tweekleppigen op te sporen. Een andere paleontoloog kan de versteende bladeren en houtachtige weefsels van oude bomen onderzoeken om diagnostische sporen te identificeren van een fossiel insect dat in de weefsels van de uitgestorven plant zijn kostje verdiende. Weer een ander bestudeert de inhoud van gefossiliseerde uitwerpselen (coprolieten genoemd) om de voedingsvoorkeuren en spijsverteringscapaciteiten van een uitgestorven dinosaurussoort te ontcijferen. Op grotere schaal kunnen paleontologen ervoor kiezen om ecologische veranderingen in hele gemeenschappen door de tijd heen te volgen. Een goed voorbeeld van dit soort paleoecologisch onderzoek is de analyse van oude plantengemeenschappen als reactie op klimaatveranderingen op lange termijn.
Nog een ander hedendaags gebied binnen het paleontologisch onderzoek is taphonomie, de studie van de wijze waarop organische resten in het gesteente worden opgenomen. Taphonomische analyses richten zich op de post-mortem geschiedenis van biologische resten, zoals verval, disarticulatie (scheiden van lichaamsdelen), transport (misschien uit het leven habitat), en begraving. Taponomische studies kunnen belangrijke tendensen en vertekeningen in het fossielenbestand aan het licht brengen, die moeten worden onderkend om nauwkeurige paleoecologische en evolutionaire reconstructies te kunnen maken. Op het meest basale niveau wijst taponomie erop dat de schaarste van wezens met zachte lichamen in het fossielenbestand niet te wijten is aan de schaarste van de oorspronkelijke organismen, maar aan de slechte conservering van weke lichaamsdelen.
Tenslotte houden vele paleontologen zich tegenwoordig bezig met onderzoek dat rechtstreeks verband houdt met het verschijnsel van massale uitsterving, dat helaas ook een hedendaags milieuprobleem is. Door de uitsterving in de tijd te volgen, kunnen paleontologen unieke inzichten verschaffen in de mogelijke oorzaken van de decimering van hele ecosystemen op wereldwijde schaal, zoals buitenaardse invloeden. Ze kunnen ook een appreciatie krijgen voor de timing en de aard van het biotische herstel na grote uitstervingen.