Paleontologiya [yun. palaios – qədim, ontos – varlıq, logos – elm] – Yer kürəsində əvvəllər yaşamış, indi isə nəsli kəsilmiş bitki və heyvanların (eləcə də digər orqanizmlərin) qalıqlarını (qazıntıları) öyrənən elm sahəsidir. Bu qalıqlara fossillar deyilir və onlar daşlaşmış sümüklər, dişlər, izlər, qabıqlar, polenlər, iz qalıqları və ya hətta orqanizmlərin özünün (məs., buzda qalmış mamontlar) şəklində ola bilər.
Paleontologiya sadəcə qazıntıların toplanması və təsvirindən ibarət deyil. O, bu qalıqlar əsasında keçmişdə yaşamış orqanizmlərin anatomiyasını, fiziologiyasını, ekologiyasını, filogeniyasını (təkamül tarixini) və onların geoloji dövr ərzindəki yayılmasını araşdırır. Tədqiqat metodları müxtəlifdir: morfoloji analiz, stratigrafiya, radioaktiv karbon təyini, molekulyar analiz (əgər qalıqlarda DNT qalıqları aşkar olunarsa) və s. Nəticələr geologiya, biologiya, kimya və digər elmlər üçün vacib məlumatlar təmin edir.
Paleontoloji tədqiqatlar həyatın yaranması və inkişafı, kütləvi məhv hadisələri, kontinental sürüşmələr, iqlim dəyişiklikləri və digər geoloji və bioloji proseslər haqqında qiymətli məlumatlar verir. Məsələn, dinozavrların öyrənilməsi Yer kürəsindəki həyatın tarixini anlamaqda mühüm rol oynayır. Eləcə də, paleontologiya bioloji müxtəlifliyin təkamülünü izləmək, növ yaranması və məhv olması mexanizmlərini anlamaq üçün vacib bir vasitədir.
Paleontologiyanın bir neçə əsas sahəsi mövcuddur: paleozoologiya (heyvan qalıqlarının öyrənilməsi), paleobotanika (bitki qalıqlarının öyrənilməsi), paleomikologiya (qədim göbələklərin öyrənilməsi), paleoetologiya (qədim orqanizmlərin davranışlarının öyrənilməsi) və s. Bu sahələr bir-biri ilə sıx bağlıdır və birgə keçmişdəki həyatı daha dolğun təsəvvür etməyə imkan verir.