Paleontologija je nauka o razvoju života na Zemlji, drevnih biljaka i životinja zasnovana na fosilima, svedočanstvima njihovog postojanja sačuvanim u stenama. Uključuje proučavanje fosila tela, tragova, brloga, odbačenih delova, koprolite, i hemijske ostatke. Savremena paleontologija postavlja drevni život u njegov kontekst, proučavajući kako su dugoročne fizičke promene globalne geografije („paleogeografija”) i klime („paleoklimatologija”) uticale na evoluciju života, kako su ekositemi reagovali na te promene, i zauzvrat promenili planetarno okruženje, i kako su ti međusobni odzivi utecali da današnju bioraznolikost.
Dakle, paleontologija se preklapa s geologijom, proučavanjem stena i formacija stena, pa sa botanikom, biologijom, zoologijom, i ekologijom, disciplinama koje proučavaju živa bića i njihovu interakciju. Polenologija je proučavanje polena, savremenog ili fosilnog. Glavne grane paleontologije su: paleozoologija (životinje), paleobotanika (biljke), i mikropaleontologija (mikrofosili). Postoje mnoge podgrane koje se tek razvijaju. Fosili su već bili poznati primitivnim ljudima i ponekad su ispravno smatrani ostacima drevnih organizama. Organizovano proučavanje paleontologije potiče iz kasnog 18. veka.
Paleontologija je naučno izučavanje života koji je postojao u davnini, a ponekad obuhvata i početak holocenske epohe (otprilike 11.700 godina pre sadašnjosti). To uključuje proučavanje fosila radi klasifikacije organizama i proučavanje njihovih međusobnih interakcija i njihovog okruženja (njihove paleoekologije). Paleontološka zapažanja dokumentovana su još u 5. veku pre nove ere. Ova nauka je formalizovana u 18. veku kao rezultat rada Džordža Kuviera na uporednoj anatomiji, a brzo se razvila u 19. veku. Sam izraz potiče od grčkih reči παλα (‘palaios’, „star, starinski”), ὄν (‘on’, (gen. ‘ontos’), „biće, stvorenje”) i λόγος (‘logos’ „govor, misao, proučavanje”).