화석을 대상으로 하여 고생물의 체제 ·구조 ·생리 ·생태 등의 역사적 변천을 연구하는 학문.
화석의 성인(成因)과 성질에 대하여 바른 해석을 시작한 사람은 레오나르도 다 빈치와 G.프라카스토로이며, 그 후 아그리콜라는 화석의 무기적 성질에 주목하여 과학적 고찰을 시도하였다. 그 후, 17~18세기에 들어와서 화석의 연구는 항상 지층의 성층상태(成層狀態)를 결합하여 진행되게 되어 스테노, 큐비에, W.스미스에로 연구가 계승되어 고생물학 ·지사학(地史學) ·진화학의 기초가 세워져 갔다. 특히, 큐비에는 비교해부학을 확립하여 화석으로부터 고생물의 모습을 복원하는 데 노력하였으며, 린네는 생물의 분류법을 확립하여 화석분류의 기초를 확립하였다. 또, 다윈은 프랑스의 라마르크가 공표한 진화론의 기초가 되는 견해와 라이엘의 《지질학원리》의 사상체계에 도움을 받아 오늘의 진화학의 대강(大綱)을 발표하였다.
고생물학이라는 말을 제창한 것은 1834년 프랑스의 D.블랭빌 등이다. 또, 1827년에 W.니콜이 편광현미경을 고안한 후부터는 딱딱한 암석 속에 있는 화석의 연구가 진행되었다. 고생물학은 한편으로 화석을 매장하고 있는 지층의 층서(層序)나 층상(層相)에 대한 연구와 결합하여 진행되어 오늘의 생층서학(生層序學) ·고생물지리학 ·고생태학 ·진화학 등의 연구분야를 발전시키고 있다. 특히, 최근에는 생물 ·물리 ·화학의 새로운 연구 수법을 도입하여 유기물의 화석을 대상으로 하는 고생화학이나 미세구조의 연구, 고병리학(古病理學) 등의 새로운 연구분야가 개척되고 있다. 근래에 와서는 화석뿐만 아니라 유존종(遺存種) 등의 현생종(現生種)을 포함한 연구도 하게 되었다.