Paleontologie nebo paleontologie se zabývá studiem zkamenělin živých organismů a jejich fylogenezí (evolučními vztahy). Je závislá na základních vědách, jako je zoologie, botanika a historická geologie. Termín paleobiologie naznačuje, že se bude zkoumat paleoekologie daných skupin.
V paleozoologii se studuje vývoj těch fylů, které mají fosilní nálezy: viz Seznam živočišných fylů. V paleobotanice se studují fosilní rostliny. V historické geologii vznik, posloupnost a datování horninových vrstev, které poskytují informace o minulých prostředích.
Zkamenělina je jakýkoli druh života, který je starší než deset tisíc let a zachoval se v jakékoli podobě, kterou můžeme dnes studovat. Zkameněliny jsou vždy neúplné a pozdější objevy mohou rozšířit známé období přežití dané skupiny. Viz taxon Lazarus.
Někteří paleontologové zkoumají fosilie mikroorganismů, živých organismů, které jsou příliš malé na to, abychom je viděli bez mikroskopu, zatímco jiní paleontologové zkoumají fosilie obřích dinosaurů.