Zygospira modesta, spiriferid brachiopods, konzervované ve svých původních pozicích na trepostome bryozoan; Cincinnatian (Upper Ordovician) z jihovýchodní Indiany.
Paleoekologie využívá data z fosílií a subfosílií k rekonstrukci ekosystémů minulosti. Zahrnuje studium fosilních organismů a jejich bromalitů a dalších stopových fosílií z hlediska jejich životního cyklu, jejich životních interakcí, jejich přirozeného prostředí, způsobu smrti a pohřbení. Cílem paleoekologie je proto sestavit co nejpodrobnější model životního prostředí těch živých organismů, které se dnes nacházejí jako fosílie; takové rekonstrukční práce zahrnují komplexní interakce mezi environmentálními faktory (teplota, zásoby potravin, stupeň slunečního osvětlení atd.). Velká část těchto komplexních dat byla samozřejmě zkreslena nebo zničena posmrtnými fosilizačními procesy, což přidává další vrstvu složitosti.
Faktor složitosti prostředí se obvykle řeší statistickou analýzou dostupných numerických dat (kvantitativní paleontologie nebo paleostatika), zatímco studium posmrtných procesů je známé jako oblast taphonomie.
Mnoho paleoekologických výzkumů se zaměřuje na poslední dva miliony let (čtvrtohorní období), protože starší prostředí jsou méně zastoupena ve fosilní časové ose evoluce. Mnoho studií se skutečně soustředí na holocénní epochu (posledních 11 000 let) nebo na poslední glaciální fázi pleistocénní epochy (Wisconsinské/Weichselovo/Devensiánské/Würmské zalednění doby ledové, před 50 000 až 10 000 lety). Takové studie jsou užitečné pro pochopení dynamiky změn ekosystémů a pro rekonstrukci předindustrializačních ekosystémů. Mnoho tvůrců veřejných politických rozhodnutí poukázalo na důležitost použití paleoekologických studií jako základu pro volby v ekologii ochrany přírody.