Paleontologia é um vasto campo de estudo que se centra na história da vida na Terra. Fósseis, que são os restos materiais (ossos, dentes, conchas) ou vestígios (físicos ou químicos) de organismos antigos, são o que os paleontólogos estudam.
Os fósseis de organismos unicelulares são conhecidos de rochas com aproximadamente 3,5 bilhões de anos, e traços químicos de vida (isótopos de carbono de origem biológica presumida) podem se estender ainda mais para trás no tempo. É um fato inegável que o registro fóssil é um arquivo incompleto da história da vida, e isto é especialmente verdadeiro para organismos com pouco potencial de preservação, tais como vermes de corpo mole e medusas. Entretanto, a qualidade do registro fóssil é surpreendentemente boa para aqueles animais com esqueletos duráveis, como braquiópodes, trilobitas, moluscos e vertebrados.
Muitos subcampos enquadram-se no amplo título da paleontologia. A maioria dos paleontólogos modernos concentra seus esforços na descrição de fósseis e na decifração da história evolutiva, ou filogenia. Estes “paleobiólogos” tendem a especializar-se em grupos particulares de organismos fósseis, tais como procariotas unicelulares ou eucariotas, plantas, invertebrados ou vertebrados. Através de seus esforços, os cientistas adquirem uma compreensão mais profunda da evolução da vida e da diversificação através do tempo. Os cientistas também ganham uma melhor apreciação do processo evolutivo, porque o registro fóssil fornece o registro de longo prazo da evolução em ação. De facto, os modos de mudança evolutiva propostos, tais como o gradualismo filético e o equilíbrio pontuado, baseiam-se em padrões derivados directamente do registo fóssil.
Outro ramo ativo da pesquisa paleontológica é a paleoecologia, que é o estudo das relações e interações entre os organismos fósseis e seus ambientes paleoentéricos. Os paleontólogos envolvidos na pesquisa paleontológica podem concentrar seus esforços em um único táxon . Por exemplo, um paleontólogo pode optar por estudar as actividades predatórias de um caracol fóssil em particular, rastreando vestígios distintivos da sua predação (furos) em conchas bivalves fósseis associadas. Outro paleontólogo pode examinar as folhas fossilizadas e os tecidos lenhosos de árvores antigas a fim de identificar vestígios diagnósticos de um inseto fóssil que vivia dentro dos tecidos da planta extinta. Outro pode ainda estudar o conteúdo de fezes fossilizadas (chamadas coprolitos) a fim de decifrar as preferências alimentares e as capacidades digestivas de uma espécie de dinossauro extinta. Em maior escala, os paleontólogos podem optar por acompanhar as mudanças ecológicas em comunidades inteiras ao longo do tempo. Um exemplo importante deste tipo de pesquisa paleontológica seria a análise de comunidades vegetais antigas em resposta às mudanças climáticas a longo prazo.
Outro campo contemporâneo dentro do reino da pesquisa paleontológica é a taphonomia, que é o estudo de como os restos orgânicos são incorporados no registro rochoso. As análises afonómicas centram-se na história post mortem dos restos biológicos, tais como a decomposição, desarticulação (separação de partes do corpo), transporte (talvez fora do habitat da vida), e enterramento. Os estudos da Taphonomic podem revelar importantes tendências e enviesamentos no registro fóssil, que devem ser reconhecidos a fim de produzir reconstruções paleoecológicas e evolutivas precisas. No nível mais básico, a taphonomia aponta que a escassez de criaturas de corpo mole no registro fóssil não se deve à escassez dos organismos originais, mas à má preservação das partes moles do corpo.
Finalmente, muitos paleontólogos de hoje estão envolvidos em pesquisas diretamente relacionadas ao fenômeno da extinção em massa, que infelizmente é também uma questão ambiental contemporânea. Ao rastrear o registro da extinção através do tempo, os paleontólogos podem fornecer insights únicos sobre os agentes potenciais que causam a dizimação de ecossistemas inteiros em escala global, tais como os impactos extraterrestres. Eles também podem obter uma apreciação do tempo e da natureza da recuperação biótica após grandes eventos de extinção.