Paleontologi är ett brett studieområde som fokuserar på livets historia på jorden. Paleontologer studerar fossiler, som är materiella rester (ben, tänder, skal) eller spår (fysiska eller kemiska) av gamla organismer.
Fossiler av encelliga organismer är kända från stenar som är cirka 3,5 miljarder år gamla, och kemiska spår av liv (kolisotoper av förmodat biologiskt ursprung) kan sträcka sig ännu längre tillbaka i tiden. Det är ett obestridligt faktum att fossilregistret är ett ofullständigt arkiv över livets historia, och detta gäller särskilt för organismer med dålig bevaringsförmåga, t.ex. mjukladdade maskar och maneter. Kvaliteten på de fossila arkiven är dock förvånansvärt god för de djur som har hållbara skelett, t.ex. brachiopoder, trilobiter, blötdjur och ryggradsdjur.
Många delområden faller under den breda rubriken paleontologi. Majoriteten av moderna paleontologer fokuserar sina ansträngningar på att beskriva fossiler och tyda evolutionär historia, eller fylogeni. Dessa ”paleobiologer” tenderar att specialisera sig på särskilda grupper av fossila organismer, t.ex. encelliga prokaryoter eller eukaryoter , växter, ryggradslösa djur eller ryggradsdjur. Genom deras arbete får forskarna en djupare förståelse för livets utveckling och diversifiering genom tiderna. Forskarna får också en bättre förståelse för den evolutionära processen, eftersom fossilregistret är en långsiktig dokumentation av den pågående evolutionen. De föreslagna metoderna för evolutionär förändring, som t.ex. fyletisk gradualism och punktuell jämvikt, bygger på mönster som härleds direkt från fossilregistret.
En annan aktiv gren av paleontologisk forskning är paleoekologi, som är studiet av relationerna och interaktionerna mellan fossila organismer och deras paleomiljöer. Paleontologer som ägnar sig åt paleoekologisk forskning kan fokusera sina ansträngningar på ett enda taxon . En paleontolog kan till exempel välja att studera en viss fossil snigels rovdrift genom att spåra tydliga spår av dess rovdrift (borrningar) i tillhörande fossila musselskal. En annan paleontolog kan undersöka fossila blad och vedartade vävnader från gamla träd för att identifiera diagnostiska spår av en fossil insekt som försörjde sig i den utdöda växtens vävnader. Ytterligare en annan kan studera innehållet i fossiliserad avföring (så kallade koproliter) för att ta reda på en utdöd dinosauriearts dietpreferenser och matsmältningsförmåga. I större skala kan paleontologer välja att följa ekologiska förändringar i hela samhällen genom tiderna. Ett utmärkt exempel på denna typ av paleoekologisk forskning är analysen av gamla växtsamhällen som svar på långsiktiga klimatförändringar.
Ännu ett annat modernt område inom paleontologisk forskning är taphonomi, vilket är studiet av hur organiska kvarlevor införlivas i berggrunden. Taphonomiska analyser fokuserar på biologiska lämningars historia efter döden, t.ex. nedbrytning, disartikulering (separation av kroppsdelar), transport (kanske ut ur livsmiljön) och begravning. Taphonomiska studier kan avslöja viktiga tendenser och förvrängningar i fossilregistret, som måste erkännas för att man ska kunna göra korrekta paleoekologiska och evolutionära rekonstruktioner. På den mest grundläggande nivån pekar tafonomi på att bristen på mjukkroppsvarelser i fossilregistret inte beror på bristen på de ursprungliga organismerna, utan på det dåliga bevarandet av mjuka kroppsdelar.
Slutligen ägnar sig många paleontologer i dag åt forskning som är direkt relaterad till fenomenet massutdöende, som tyvärr också är en samtida miljöfråga. Genom att spåra utrotningens historia genom tiderna kan paleontologer ge unika insikter om de potentiella agenter som orsakar decimering av hela ekosystem i global skala, t.ex. utomjordisk påverkan. De kan också få en uppfattning om tidpunkten och arten av biotisk återhämtning efter stora utdöende händelser.