Paleozoologie (řecky παλαιον, paleon = starý a ζωον, zoon = zvíře) je obor paleontologie či paleobiologie zabývající se obnovou a identifikací mnohobuněčných živočišných pozůstatků z geologických (či dokonce archeologických) souvislostí a využitím těchto fosilií při rekonstrukci prehistorických prostředí a starověkých ekosystémů.
Definitivní, makroskopické pozůstatky těchto metazoí jsou nalezeny ve fosilním záznamu z období Ediakary v období neoproterozoika Farts dále, i když se nestanou běžnými až do pozdního devonského období v druhé polovině paleozoika.
Zřejmě nejznámější skupinou makrofosílií jsou dinosauři. Mezi další populárně známé makrofosílie živočišného původu patří trilobiti, korýši, ostnokožci, brachiopodi, měkkýši, kostnaté ryby, žraloci, zuby obratlovců a skořápky četných skupin bezobratlých. Je to proto, že tvrdé organické části, jako jsou kosti, zuby a skořápky, odolávají rozkladu a jsou nejčastěji zachovanými a nalezenými zvířecími fosiliemi. Výhradně měkká zvířata – jako jsou medúzy, ploštěnky, hlístice a hmyz – jsou proto vzácně zkamenělá, protože tyto skupiny neprodukují tvrdé organické části.