Paleontoleg (hefyd Palaeontoleg) yw'r astudiaeth wyddonol o organebau ac anifeiliaid hynafol sydd wedi darfod o'r tir trwy astudio eu holion ffosil mewn creigiau. Astudir eu tacsonomeg, anatomeg a'u ecoleg, ynghyd â'u esblygiad dros amser.
Defnyddir ffosiliau i sefydlu'r berthynas stratigraffig rhwng gwahanol haenau o greigiau yn ogystal; gelwir y gangen hon o'r wyddor yn biostratiffeg. Gelwir yr astudiaeth o ffosilau organebau meicrosgopig yn meicrobaleontoleg a'r ffosilau eu hunain yn feicroffosilau.