Paleontologia sau paleontologia este studiul fosilelor de viețuitoare și al filogeniei (relații evolutive) acestora. Ea depinde de științe de bază precum zoologia, botanica și geologia istorică. Termenul de paleobiologie implică faptul că studiul va investiga paleoecologia grupurilor în cauză.
În paleozoologie, se studiază evoluția acelor filoane cu înregistrări fosile: vezi Lista filoanelor de animale. În paleobotanică, se studiază plantele fosile. În geologia istorică, formarea, succesiunea și datarea straturilor de rocă oferă informații despre mediile din trecut.
O fosilă este orice formă de viață veche de peste zece mii de ani și păstrată în orice formă pe care o putem studia astăzi. Registrul fosilelor este întotdeauna incomplet, iar descoperirile ulterioare pot extinde perioada de supraviețuire cunoscută a unui grup. A se vedea taxon Lazarus.
Unii paleontologi studiază fosilele de microorganisme, ființe vii care sunt prea mici pentru a fi văzute fără microscop, în timp ce alți paleontologi studiază fosilele dinozaurilor giganți.