Paleobiologija je grana prirodnih znanosti koja se usredotočuje na ispitivanje podrijetla i povijesti života na Zemlji korištenjem fosilnih zapisa. U tom smislu može se smatrati granom paleontologije, ali također objedinjuje aspekte drugih znanstvenih područja. Kao specifično područje proučavanja paleobiologija se pojavila u 20. stoljeću, a znanstveni napredak znatno je proširio opseg ovog znanstvenog područja. Mnoga velika sveučilišta nude paleobiološke programe, a paleobiolozi rade na sveučilištima, muzejima i istraživačkim ustanovama diljem svijeta.
I fosilizirane biljke i životinje ispituju se u paleobiologiji. Ovi fosilizirani ostaci proučavaju se zbog njihove intrinzične vrijednosti, ali se također proučavaju kako bi se sagledalo kako je život na Zemlji evoluirao i kako se nastavlja razvijati. Osim proučavanja fizičkih fosila, istraživači mogu pogledati i tragove koje su ostavili različiti organizmi, koristeći te tragove kako bi sastavili dijelove evolucijske slagalice. Bilo koji broj stvari može se upotrijebiti u paleobiološkim istraživanjima, od fosiliziranih mikroorganizama koje je gotovo nemoguće vidjeti, do kostiju dinosaura.
Mnogi paleobiolozi odlučuju se usredotočiti na određeno područje unutar paleobiologije. Na primjer, netko tko proučava biljke je paleobotaničar, dok je netko tko se fokusira na životinje paleozoolog. Također je moguće proučavati paleokemiju, paleoekologiju i mikropaleontologiju, istraživanja koja se usredotočuju na mikroorganizme i tvari u tragovima koje ostavljaju za sobom. Neki paleobiolozi usredotočuju se na stvari kao što su bušotine, tuneli i rupe koje stvaraju različiti organizmi, u kojem slučaju su poznati kao paleoihnolozi. Paleobiologija također integrira proučavanje stvari poput drevnih atmosferskih uzoraka uzetih iz ledenih jezgri.
Karijera u paleobiologiji zahtijeva zanimanje za prirodne znanosti, uz spremnost za napornim radom u različitim uvjetima. Dok se mnogi uzorci ispituju u laboratorijskim uvjetima, mnogi paleobiolozi vole raditi na terenu, vidjeti fosile in situ i osigurati da su pravilno prikupljeni. Studenti u ovom području obično studiraju geologiju i biologiju, u najmanju ruku, prije nego što se presele u određeno područje fokusa, a većina nastavlja diplomski rad iz paleobiologije.
Napredak znanstvene tehnologije omogućio je nevjerojatna dostignuća u paleobiologiji. Na primjer, drevni uzorci peludi mogu se pronaći i proučavati kako bi se saznalo više o arhaičnim biljkama, a tehnologija se može koristiti za gledanje unutar fosila kako bi se vidjeli uzorci prije nego što se fosili otvore. Neki paleobiolozi posebno se usredotočuju na stvaranje nove tehnologije za unapređenje svoje znanosti, u dogovoru s timovima inženjera i drugih stručnjaka.