Παλαιοντολογία ή Παλαιοντολογία είναι η μελέτη των απολιθωμάτων των έμβιων όντων και της φυλογένειάς τους (εξελικτικές σχέσεις). Εξαρτάται από βασικές επιστήμες όπως η ζωολογία, η βοτανική και η ιστορική γεωλογία. Ο όρος παλαιοβιολογία υπονοεί ότι η μελέτη θα διερευνήσει την παλαιοοικολογία των εν λόγω ομάδων.
Στην παλαιοζωολογία, μελετάται η εξέλιξη εκείνων των φυλών που διαθέτουν απολιθωμένα αρχεία: βλέπε Κατάλογος ζωικών φυλών. Στην παλαιοβοτανική, μελετώνται τα απολιθωμένα φυτά. Στην ιστορική γεωλογία ο σχηματισμός, η αλληλουχία και η χρονολόγηση των πετρωμάτων δίνουν πληροφορίες για τα περιβάλλοντα του παρελθόντος.
Απολίθωμα είναι κάθε είδος ζωής ηλικίας άνω των δέκα χιλιάδων ετών που έχει διατηρηθεί σε οποιαδήποτε μορφή που μπορούμε να μελετήσουμε σήμερα. Το αρχείο των απολιθωμάτων είναι πάντα ελλιπές και μεταγενέστερες ανακαλύψεις μπορεί να επεκτείνουν τη γνωστή επιβίωση μιας ομάδας. Βλέπε ταξινομικό σύστημα Lazarus.
Ορισμένοι παλαιοντολόγοι μελετούν απολιθώματα μικροοργανισμών, ζωντανών οργανισμών που είναι πολύ μικρά για να τα δούμε χωρίς μικροσκόπιο, ενώ άλλοι παλαιοντολόγοι μελετούν απολιθώματα γιγάντιων δεινοσαύρων.