Палеонтология (от греч. palalos — древний) — наука о вымерших животных (палеозоология) и растениях (палеоботаника), занимается всесторонним изучением вымерших организмов минувших геологических эпох, опираясь в своих исследованиях на другие биологические науки. Так, палеоморфологи восстанавливают по окаменелостям облик целых животных, палеоэкологи — условия жизни в те времена, среду биотическую и абиотическую и приспособленность к ней организмов и т. д.
Большой след оставил в палеонтологии Ж- Кювье. Он создал научное построение распределения окамеиелостей по слоям осадочных пластов Земли разного геологического возраста, но дал ошибочное толкование наблюдаемому с позиций противника эволюции. Согласно Ж. Кювье своеобразие палеофауны в разных пластах обязано периодической гибели животных в результате грандиозных катастроф. Новый состав животных, причем выше организованных, в следующем более молодом слое (слое отложений) объяснялся приходом их «откуда-то». Ученики Кювье выдвинули фантастическую гипотезу о повторных актах творения после каждой катастрофы, доведя к половине XIX в. число катастроф и повторных актов творения до многих десятков.
В прогрессивном направлении палеонтологии видное место заняли работы В. О. Ковалевского. По Ковалевскому, палеонтолог должен полагать своей задачей не простую констатацию отличия в фаунах разных эпох, а направление усилия на поиски среди ископаемых останков сходства между животными смежных напластований. Автор представил по данным палеонтологии доказательство эволюционного развития современных однопалых лошадей от многопалых предков и дал новый экологический анализ материалов. Переход от 4- к 3-палому животному и затем к однопалой лошади происходил во взаимосвязи со сменой условий жизни и, в частности, с появлением злаков на обширных степных пространствах. Ковалевский учитывал ряд факторов: смену характера питания, появление новых кормовых растений, их распространение и способ добычи пищи. Экологический путь анализа привел к созданию эволюционной палеоэкологии.
Палеонтологическая летопись бедна по причине трудности сохранения останков, подвергающихся разрушению под действием внешних сил. Сохраняются, как правило, животные с наружным или внутренним скелетом. Более благоприятны возможности захоронения водных животных и тех наземных, трупы которых сносятся водой в понижения рельефа местности и там погребаются под выносами вод. Некоторые насекомые сохранились погребенными в смоле.
В практическом отношении палеонтология предоставляет исторической геологии сведения о «руководящих» ископаемых того или иного геологического возраста. Эти данные используются геологами при поисках полезных ископаемых.