Paleontoloji veya Paleontoloji, canlıların fosillerinin ve filogenilerinin (evrimsel ilişkilerinin) incelenmesidir. Zooloji, botanik ve tarihi jeoloji gibi temel bilimlere dayanır. Paleobiyoloji terimi, çalışmanın söz konusu grupların paleoekolojisini araştıracağını ima eder.
Paleozoolojide, fosil kayıtları bulunan bu filumların evrimi incelenir: bakınız Hayvan filumları listesi. Paleobotanikte fosil bitkiler incelenir. Tarihsel jeolojide kaya tabakalarının oluşumu, dizilimi ve tarihlendirilmesi geçmiş ortamlar hakkında bilgi verir.
Fosil, on bin yıldan daha eski olan ve bugün üzerinde çalışabileceğimiz herhangi bir biçimde korunmuş herhangi bir yaşam türüdür. Fosil kayıtları her zaman eksiktir ve daha sonraki keşifler bir grubun bilinen hayatta kalma süresini uzatabilir. Lazarus taksonuna bakınız.
Bazı paleontologlar mikroskop olmadan görülemeyecek kadar küçük canlılar olan mikroorganizmaların fosillerini incelerken, diğer paleontologlar dev dinozorların fosillerini incelemektedir.