La paleontología es un amplio campo de estudio que se centra en la historia de la vida en la Tierra. Lo que estudian los paleontólogos son los fósiles, que son los restos materiales (huesos, dientes, conchas) o las huellas (físicas o químicas) de organismos antiguos.
Se conocen fósiles de organismos unicelulares en rocas de aproximadamente 3.500 millones de años, y las huellas químicas de la vida (isótopos de carbono de presunto origen biológico) pueden remontarse aún más en el tiempo. Es un hecho innegable que el registro fósil es un archivo incompleto de la historia de la vida, y esto es especialmente cierto para los organismos con escaso potencial de conservación, como los gusanos de cuerpo blando y las medusas. Sin embargo, la calidad del registro fósil es sorprendentemente buena para aquellos animales con esqueletos duraderos, como los braquiópodos, trilobites, moluscos y vertebrados.
Muchos subcampos caen bajo el amplio título de paleontología. La mayoría de los paleontólogos modernos centran sus esfuerzos en describir fósiles y descifrar la historia evolutiva, o filogenia. Estos «paleobiólogos» tienden a especializarse en determinados grupos de organismos fósiles, como procariotas o eucariotas unicelulares, plantas, invertebrados o vertebrados. Gracias a sus esfuerzos, los científicos adquieren un conocimiento más profundo de la evolución y la diversificación de la vida a lo largo del tiempo. Los científicos también adquieren una mejor apreciación del proceso evolutivo, porque el registro fósil proporciona el registro a largo plazo de la evolución en acción. De hecho, los modos de cambio evolutivo propuestos, como el gradualismo filético y el equilibrio puntuado, se basan en patrones derivados directamente del registro fósil.
Otra rama activa de la investigación paleontológica es la paleoecología, que es el estudio de las relaciones e interacciones entre los organismos fósiles y sus paleoambientes. Los paleontólogos dedicados a la investigación paleoecológica pueden centrar sus esfuerzos en un solo taxón . Por ejemplo, un paleontólogo puede optar por estudiar las actividades depredadoras de un determinado caracol fósil rastreando las huellas distintivas de su depredación (perforaciones) en las conchas de los bivalvos fósiles asociados. Otro paleontólogo puede examinar las hojas fosilizadas y los tejidos leñosos de árboles antiguos para identificar las huellas diagnósticas de un insecto fósil que se ganaba la vida en los tejidos de la planta extinguida. Otro puede estudiar el contenido de las heces fosilizadas (llamadas coprolitos) para descifrar las preferencias alimentarias y las capacidades digestivas de una especie extinta de dinosaurio. A mayor escala, los paleontólogos pueden optar por seguir los cambios ecológicos de comunidades enteras a lo largo del tiempo. Un ejemplo destacado de este tipo de investigación paleoecológica sería el análisis de las antiguas comunidades vegetales en respuesta al cambio climático a largo plazo.
Otro campo contemporáneo dentro del ámbito de la investigación paleontológica es la tafonomía, que es el estudio de cómo los restos orgánicos se incorporan al registro rocoso. Los análisis tafonómicos se centran en la historia post mortem de los restos biológicos, como la descomposición, la desarticulación (separación de las partes del cuerpo), el transporte (quizás fuera del hábitat de vida) y el enterramiento. Los estudios tafonómicos pueden revelar importantes tendencias y sesgos en el registro fósil, que deben ser reconocidos para producir reconstrucciones paleoecológicas y evolutivas precisas. En el nivel más básico, la tafonomía señala que la escasez de criaturas de cuerpo blando en el registro fósil no se debe a la escasez de los organismos originales, sino a la mala conservación de las partes blandas del cuerpo.
Por último, muchos paleontólogos se dedican hoy a la investigación directamente relacionada con el fenómeno de la extinción masiva, que desgraciadamente es también un problema medioambiental contemporáneo. Al rastrear el registro de la extinción a través del tiempo, los paleontólogos pueden proporcionar una visión única de los posibles agentes que causan la diezma de ecosistemas enteros a escala global, como los impactos extraterrestres. También pueden apreciar el momento y la naturaleza de la recuperación biótica después de los grandes eventos de extinción.