Палеонтоло́гия (от др.-греч. παλαιοντολογία) — наука о жизни, существовавшей до начала голоценовой эпохи или в её начале (примерно 11 700 лет назад), в прошлые геологические периоды. Она включает в себя изучение фоссилий (ископаемых остатков) и определяет эволюцию организмов, а также их взаимодействие с окружающей средой (палеоэкология). Палеонтологические наблюдения были задокументированы ещё в V веке до н. э. Палеонтология как наука была создана в XVIII веке в результате работ Жоржа Кювье по сравнительной анатомии и быстро развивалась в XIX веке. Сам термин происходит от др.-греч. παλαιός [palaios] — «древний», ὄν [on] — «существо, тварь» и λόγος [logos] — «слово, понятие».

Палеонтология лежит на границе биологии и геологии, но отличается от археологии тем, что не изучает историю и анатомию современного человека. В настоящее время она использует методы, взятые из широкого спектра наук, включая биохимию, математику и инженерное дело. Использование всех этих методов позволило палеонтологам сделать вклад в эволюционную историю жизни, начиная с того момента, когда Земля стала способна поддерживать жизнь, около 3,8 млрд лет назад. По мере расширения знаний в палеонтологии появились особые направления, некоторые из которых сосредоточены на определённых типах ископаемых организмов, в то время как другие изучают экологию и аспекты экологической истории, такие как древний климат.

Ископаемые остатки организмов и их следов являются основными свидетельствами древней жизни. При отсутствии датировок абсолютного возраста палеонтологам приходится полагаться на относительное датирование, решая «головоломки» биостратиграфии (расположение слоев горных пород от самых молодых до самых старых). Классифицировать древние организмы также сложно, поскольку многие из них не вписываются в Линнеевскую иерархию, предназначавшуюся для классификации современных организмов, из-за чего палеонтологи и биологи чаще используют кладистику для составления эволюционных «родословных». В последней четверти XX века появилась молекулярная филогенетика, которая исследует насколько тесно связаны организмы, измеряя сходство ДНК в их геномах. Молекулярная филогенетика также использовалась для оценки дат расхождения видов, но существуют споры о надёжности молекулярных часов, от которых зависят такие оценки.