La paléontologie est une partie de la géologie dont le domaine d'intérêt principal est l'étude des fossiles. Son domaine d'expertise est celui des formes de vie passées, qui ont existé au cours des temps géologiques, et dont les vestiges subsistent encore aujourd'hui sous la forme de fossiles. Elle entretient des liens étroits avec la géologie et la biologie, les apports de ces 2 sciences étant indispensables pour être capable de comprendre la nature et le fonctionnement des êtres vivants du passé, pour déterminer leur datation, la nature de leurs milieux de vie, leur répartition aux cours des périodes géologiques, leur évolution, leurs relations avec les espèces qui leur étaient contemporaines, etc.. Elle permet aussi d'émettre des hypothèses quant à leur apparition sur Terre, leur extinction, les phénomènes qui ont permis leur conservation dans les milieux sédimentaires (fossilisation), et de procéder à des reconstitutions paléogéographiques, sortes d'images instantanées des milieux de vie d'une époque donnée, et surtout de comprendre l'histoire de notre planète depuis sa formation.
La datation des fossiles, basée sur les études stratigraphiques et l'analyse des roches sédimentaires (il n'y a pas de fossiles dans les roches magmatiques), a permis de dresser une échelle précise des temps géologiques à l'échelle de l'ensemble de notre planète, que les scientifiques ont subdivisée en ères géologiques, périodes, étages.
La micropaléontologie est une branche de la paléontologie qui s'intéresse aux microfossiles minéralisés, mais aussi à ceux qui sont restés sous une forme organique, comme les grains de pollen et les spores.