각 지질시대의 지층에서 나오는 화석을 대상으로 고생물을 연구하는 학문이다.

지층에서 발견되는 화석으로 알아낸 생명체의 서식 환경이나 진화 방향을 알기 위해 지층의 순서나 층의 성질을 보고 그 지층이 생성될 시기의 외부 환경을 알아내어 알아내고, 연대별로 그 생물에서 진화되었을 것으로 추정되는 생물들을 찾는다. 해산(海産)생물의 유해를 함유한 대부분의 암석은 해양에서 형성되었으며 육상동물의 유해를 함유한 대부분의 암석은 육지에서 형성되었다. 척추동물의 경우 어류·양서류·파충류·조류·포유류의 화석이 지층이 새로워짐에 따라 순차적으로 나타남으로써 그들의 진화 과정과 유연 관계를 짐작하는 단서가 된다.

최근에는 화석뿐만 아니라 지금도 살아 있는 생물 종을 포함시켜 그것들을 연계하여 연구하고 있다.