Paleontologia este un domeniu larg de studiu care se concentrează asupra istoriei vieții pe Pământ. Ceea ce studiază paleontologii sunt fosilele, care sunt rămășițele materiale (oase, dinți, cochilii) sau urmele (fizice sau chimice) ale organismelor antice.
Se cunosc fosile de organisme unicelulare din roci vechi de aproximativ 3,5 miliarde de ani, iar urmele chimice ale vieții (izotopi de carbon de presupusă origine biologică) se pot extinde și mai departe în timp. Este un fapt de netăgăduit că înregistrarea fosilelor este o arhivă incompletă a istoriei vieții, iar acest lucru este valabil mai ales pentru organismele cu un potențial de conservare slab, cum ar fi viermii cu corpuri moi și meduzele. Cu toate acestea, calitatea înregistrărilor fosile este surprinzător de bună pentru acele animale cu schelete durabile, cum ar fi brahiopodele, trilobiții, moluștele și vertebratele.
Multe subdomenii se încadrează sub denumirea generală de paleontologie. Majoritatea paleontologilor moderni își concentrează eforturile asupra descrierii fosilelor și descifrării istoriei evoluției, sau filogeniei. Acești „paleobiologi” tind să se specializeze pe anumite grupuri de organisme fosile, cum ar fi procariote sau eucariote unicelulare , plante, nevertebrate sau vertebrate. Prin eforturile lor, oamenii de știință dobândesc o înțelegere mai profundă a evoluției și diversificării vieții de-a lungul timpului. Oamenii de știință dobândesc, de asemenea, o mai bună apreciere a procesului de evoluție, deoarece arhiva fosilă oferă o înregistrare pe termen lung a evoluției în acțiune. Într-adevăr, modurile propuse de schimbare evolutivă, cum ar fi gradualismul filozofic și echilibrul punctat , se bazează pe modele derivate direct din arhiva fosilă.
O altă ramură activă a cercetării paleontologice este paleoecologia, care este studiul relațiilor și interacțiunilor dintre organismele fosile și paleomediilele lor. Paleontologii implicați în cercetarea paleoecologică își pot concentra eforturile asupra unui singur taxon . De exemplu, un paleontolog poate alege să studieze activitățile prădătoare ale unui anumit melc fosil, urmărind urmele distinctive ale prădătorilor săi (găuri) în cochiliile bivalve fosile asociate. Un alt paleontolog poate examina frunzele fosilizate și țesuturile lemnoase ale copacilor străvechi pentru a identifica urmele de diagnosticare ale unei insecte fosile care își ducea traiul în țesuturile plantei dispărute. Un altul poate studia conținutul fecalelor fosilizate (numite coprolite) pentru a descifra preferințele alimentare și capacitățile digestive ale unei specii dispărute de dinozaur. La o scară mai mare, paleontologii pot alege să urmărească schimbările ecologice în comunități întregi de-a lungul timpului. Un prim exemplu al acestui tip de cercetare paleoecologică ar fi analiza comunităților de plante antice ca răspuns la schimbările climatice pe termen lung.
Încă un alt domeniu contemporan din domeniul cercetării paleontologice este tafonomia, care este studiul modului în care rămășițele organice sunt încorporate în înregistrarea rocilor. Analizele tafonomice se concentrează asupra istoriei post-mortem a resturilor biologice, cum ar fi descompunerea, dezarticularea (separarea părților corpului), transportul (probabil în afara habitatului de viață) și îngroparea. Studiile tafonomice pot dezvălui tendințe și distorsiuni importante în arhiva fosilă, care trebuie să fie recunoscute pentru a produce reconstrucții paleoecologice și evolutive exacte. La cel mai elementar nivel, tafonomia evidențiază faptul că raritatea creaturilor cu corpuri moi în înregistrările fosile nu se datorează rarității organismelor originale, ci conservării deficitare a părților moi ale corpului.
În cele din urmă, mulți paleontologi de astăzi sunt implicați în cercetări direct legate de fenomenul extincțiilor în masă, care, din păcate, este, de asemenea, o problemă de mediu contemporană. Urmărind înregistrarea extincțiilor de-a lungul timpului, paleontologii pot oferi o perspectivă unică asupra agenților potențiali care cauzează decimarea unor întregi ecosisteme la scară globală, cum ar fi impactul extraterestru. Aceștia pot, de asemenea, să aprecieze momentul și natura redresării biotice după evenimentele majore de extincție.