古生物学是以化石为研究对象的，是研究地质时代中的生物及其发展演化的科学。其研究范围包括各地史时期地层中保存的生物遗体和遗迹，以及一切与生物活动有关的地质记录。
古生物学的基础工作包括化石的采集和发掘、处理和复原、鉴定和描述，并在这些工作的基础上进行分类分析，进而研究各类生物的形态、分类、生活方式、进化规律等，最终应用于其他方面的科学研究。在古生物学研究的化石中，有些生物体和化石个体较大，利用常规方法在肉眼下就能直接进行研究，这些化石称为大化石（macrofossil）。但是某些生物类别，如有孔虫、放射虫、介形虫、沟鞭藻和硅藻等，以及某些古生物类别的微小部分或微小器官，如牙形石、轮藻和孢子花粉等，形体微小，一般肉眼难以辨认，这些化石称为微化石（microfossil）。对于微化石的研究必须采用专门的技术和方法从岩石中将化石处理、分离出来，或磨制成切片，通过显微镜进行观察和研究，这就形成了一门专门的学科——微体古生物学（Micropaleontology），其中包括专门研究古代植物繁殖器官孢子和花粉的孢粉学（Palynology），以及以更加微小的超微化石（nannofossil）为研究对象的超微古生物学（Ultramicropaleontology）。
此外，在古生物学的发展和应用过程中，不断与相关学科交叉和渗透，产生了一系列边缘、交叉学科，如与地层学结合产生的生物地层学（Biostratigraphy）和生态地层学（Ecostratigraphy），与物理化学结合产生的分子古生物学（Molecular paleontology）和古生物化学（Paleobiochemistry），研究古代生物和无机、有机环境关系的古生态学（Paleoecology），专门研究古代生物生活活动遗迹及其生态环境的古遗迹学（Paleoichnology），研究地史时期动、植物地理分布的古生物地理学（Paleobiogeography）等等，以及研究古生物的结构构造，并用以启发各技术领域的发明创造而形成的古仿生学等，都是近几年以来飞速发展的新学科。
应当指出，古生物学首先是随着地质学发展而诞生的，主要为地质学，特别是为地史学服务的，为地质学的基础学科之一，对于确定地层时代，划分和对比地层，研究古地理、古气候以及成矿条件和地壳演变等等，都起着重要作用，因而它与地质学具有更为密切的关系。