Paleontologie (Oudgrieks: παλαιός palaios, oud, ὄν, on, "wezen") is de wetenschap die fossiele resten of sporen van organismen opspoort en bestudeert, om aan de hand daarvan de evolutie van het leven op aarde in het geologisch verleden te reconstrueren. Een beoefenaar van deze wetenschap is een paleontoloog.
De paleontologie probeert daarnaast ook de verwantschap van nu levende organismen met uitgestorven soorten vast te stellen. Zij bestudeert van uitgestorven soorten hun leefomgeving of paleomilieu, en hun plaats in hun toenmalige ecosysteem, het vakgebied van de paleo-ecologie. De opeenvolging van gevonden fossielen wordt gebruikt om de ouderdom van afzettingen en de evolutionaire ontwikkeling van het leven te bepalen.
Naast geheel of gedeeltelijk bewaard gebleven fossiele resten van de organismen zelf, worden ook hun achtergelaten sporen bestudeerd. Onder 'sporen' wordt alles verstaan wat een organisme, zowel actief als passief, maakt of achterlaat. Hieronder vallen graafgangen, kruipsporen, boorgaten, pootafdrukken, holen, nesten, coprolieten (uitwerpselen). Tezamen worden dit ichnofossielen genoemd. De studie die zich hierop toelegt is de ichnologie.
De paleontologie raakt aan vele andere vakgebieden, zoals de biologie, geologie, scheikunde, natuurkunde en astronomie. Paleontologen verrichten zowel veldwerk als laboratoriumwerk (het vergaren, prepareren, analyseren en determineren van fossiele resten).