Die Paläontologie ist die wissenschaftliche Untersuchung des Lebens, das vor Beginn des Holozäns (vor etwa 11.700 Jahren) existierte. Die Paläontologie beschäftigt sich mit der Untersuchung von Fossilien zur Klassifizierung von Organismen und mit der Untersuchung der Wechselwirkungen von fossilen Organismen und ihrer Umgebung (Paläoökologie). Paläontologische Beobachtungen sind bereits für das 5. Jahrhundert v. Chr. dokumentiert.
Die Paläontologie etablierte sich im 18. Jahrhundert als Ergebnis von Georges Cuviers Arbeiten zur vergleichenden Anatomie und entwickelte sich im 19. Jahrhundert rasant.
Die Paläontologie liegt an der Grenze zwischen Biologie und Geologie, unterscheidet sich jedoch von der Archäologie darin, dass sie das Studium anatomisch moderner Menschen und Tiere ausschließt. Heute kommen in der Paläontologie Techniken aus einer Vielzahl von Wissenschaften, z.B. Biochemie, Mathematik und Ingenieurwissenschaften zum Einsatz. All diese Techniken haben es den Paläontologen ermöglicht, einen Großteil der Evolutionsgeschichte des Lebens zu beschreiben, fast bis zu dem Zeitpunkt, als die Erde vor etwa 3,8 Milliarden Jahren so weit war, das Leben zu ermöglichen. Mit zunehmendem Wissen hat die Paläontologie spezielle Unterabteilungen entwickelt, von denen sich einige auf verschiedene Arten fossiler Organismen konzentrieren, während andere sich mit Ökologie und Umweltgeschichte oder dem Klima der Erdgeschichte befassen.
Körperfossilien und Spurenfossilien sind die Hauptzeugnisse für das urtümliche Leben, und geochemische Untersuchungen haben dazu beigetragen, die Entwicklung des Lebens zu entschlüsseln, bevor es Organismen gab, die groß genug waren, um Körperfossilien zu hinterlassen. Die zeitliche Einordnung dieser Überreste ist wichtig, aber schwierig: Manchmal ermöglichen benachbarte Gesteinsschichten eine radiometrische Datierung, die absolute Daten liefert, die auf 0,5% genau sind. Paläontologen müssen jedoch häufig auf die relative Datierung zurückgreifen, indem sie die "Puzzles" der Biostratigraphie lösen (Anordnung der Gesteinsschichten von der jüngsten zur ältesten). Die Klassifizierung urtümlicher Organismen ist ebenfalls schwierig, da viele nicht besonders gut in die linnäische Taxonomie passen, in der lebende Organismen klassifiziert werden, und Paläontologen häufiger Kladistiken verwenden, um evolutionäre "Stammbäume" zu erstellen. Im letzten Viertel des 20. Jahrhunderts entwickelte sich die molekulare Phylogenetik, die untersucht, wie eng Organismen miteinander verwandt sind, indem die Ähnlichkeit der DNA in ihren Genomen bestimmt wird. Die molekulare Phylogenetik wird auch verwendet, um die Zeitpunkte zu schätzen, an denen Arten sich auseinander entwickelten (divergierten). Allerdings gibt es Kontroversen über die Zuverlässigkeit der molekularen Uhr, von der solche Schätzungen abhängen.