De wetenschappelijke studie van het leven op aarde vanaf het prille begin (ongeveer 4540 miljoen jaar geleden) tot aan het begin van het huidige tijdperk, het Holoceen (ongeveer 12 duizend jaar geleden)
Paleontologie begon als serieuze studie pas in de 18de eeuw. Het werk van de Franse anatoom Georges Cuvier (1769-1832) bracht daar verandering in. Cuvier vergeleek de typische kenmerken van de fossielen met die van huidige dieren, en legde zo een link tussen heden en verleden. Voor het eerst kwam het idee van uitsterven tot leven. Voor die tijd werden fossielen meestal gezien als bewijs voor de Zondvloed, als spelingen der natuur die toevallig op levensvormen leken, of als wonderlijke creaties van God.
Met Cuvier begon het tijdperk van vergelijkende anatomie. De studie van fossielen richtte zich nu op het reconstrueren van het leven op aarde voor het heden. In de 19de en begin 20ste eeuw ging het veelal om het beschrijven van nieuwe soorten en het wetenschappelijk benoemen daarvan, gebaseerd op fossielen. Fossielen zijn versteende overblijfselen van de levensvormen zelf, van hun afdrukken of sporen of van hun producten zoals eieren. Deze fossielen bevinden zich in gesteenten, waardoor paleontologie en geologie van oudsher met elkaar verbonden zijn. Paleontologie ontstond in eerste instantie dan ook als ondersteuning voor de geologie, omdat de fossielen informatie verschaffen over de ouderdom van gesteenten en aardlagen.
Geleidelijk verschoof het zwaartepunt naar hoe dat leven van vroeger functioneerde. Het reconstrueren van de omgeving, de onderlinge interacties tussen de levensvormen, de leefwijze, evolutie en biologie van uitgestorven planten en dieren vormt tegenwoordig de hoofdmoot van paleontologische studies. Moderne technieken zoals ancientDNA, absolute dateringen, microscopie en CT-scanning vullen de klassieke macroscopische beschrijvingen aan.
