Paleontologie je studium prehistorického života, včetně evoluce organismů a jejich vzájemných interakcí a jejich prostředí. Jako „historická věda“ se snaží spíše vysvětlovat příčiny než provádět experimenty na pozorování následků. Ačkoli 5. století př. n. l. a středověcí myslitelé prováděli něco, co by se dnes dalo nazvat paleontologickým pozorováním, věda se etablovala v 18. století jako výsledek práce Georgese Cuviera na srovnávací anatomii a rychle se rozvíjela v 19. století. Fosilie nalezené v Číně od 90. let přinesly nové informace o nejranějším vývoji zvířat, raných ryb, dinosaurů a o vývoji ptáků a savců. Paleontologie leží na hranici mezi biologií a geologií a také sdílí s archeologií hranici, která je obtížně definovatelná. Nyní používá techniky čerpané z široké škály věd, včetně biochemie, matematiky a inženýrství. S přibývajícími znalostmi paleontologie také vyvinula specializované subdivize, z nichž některé se zaměřují na různé typy fosilních organismů, zatímco jiné studují ekologickou a environmentální historii, jako je starověké podnebí.
Fosilie těl a stopové fosilie jsou hlavními typy důkazů o starověkém životě a geochemické důkazy pomohly rozluštit vývoj života předtím, než existovaly organismy dostatečně velké, aby mohly fosilie opustit. Odhad dat těchto pozůstatků je nezbytný, ale obtížný: někdy přilehlé horninové vrstvy umožňují radiometrické datování, které poskytuje absolutní data s přesností do 0,5%, ale častěji se paleontologové musejí spoléhat na relativní datování tím, že řeší „skládačky“ biostratigrafie. Klasifikace starověkých organismů je také obtížná, protože mnohé z nich nezapadají dobře do linneanské taxonomie, která se běžně používá pro klasifikaci živých organismů, a paleontologové častěji používají kladistiku k sestavování evolučních „rodokmenů“. Poslední čtvrtina 20. století byla svědkem vývoje molekulární fylogenetiky, která zkoumá, jak blízce jsou organismy příbuzné měřením toho, jak podobná je DNA v jejich genomech. Molekulární fylogenetika byla také použita k odhadu dat, kdy se druhy rozcházely, ale existuje polemika o spolehlivosti molekulárních hodin, na kterých tyto odhady závisí.
Použití všech těchto technik umožnilo paleontologům objevit mnoho z evoluční historie života, téměř až do doby, kdy Země začala být schopna podporovat život, asi před 3 800 miliony let. Zhruba polovinu té doby byly jediným životem jednobuněčné mikroorganismy, většinou v mikrobiálních rohožích, které tvořily ekosystémy o tloušťce jen několika milimetrů. Zemská atmosféra původně neobsahovala prakticky žádný kyslík a její okysličování začalo asi před 2 400 miliony let. To mohlo způsobit zrychlující se nárůst rozmanitosti a složitosti života a rané mnohobuněčné rostliny a houby byly nalezeny v horninách z doby před 1 700 až 1 200 miliony let. Nejstarší mnohobuněčné fosilie živočichů jsou mnohem později, asi před 580 miliony let, ale živočichové se velmi rychle diverzifikovali a vedou se živé debaty o tom, zda většina z toho nastala při relativně krátkém kambrijském výbuchu nebo začala dříve, ale byla skryta nedostatkem fosilií. Všechny tyto organismy žily ve vodě, ale rostliny a bezobratlí začali kolonizovat pevninu asi před 490 miliony let a obratlovci je následovali asi před 370 miliony let. První dinosauři se objevili asi před 230 miliony let a ptáci se vyvinuli z jedné dinosauří skupiny asi před 150 miliony let. V době dinosaurů předkové savců přežívali jen jako malí, hlavně noční hmyzožravci, ale po vyhynutí neptačích dinosaurů v období křídy a třetihor před 65 miliony let se savci rychle diverzifikovali. Kvetoucí rostliny se objevily a rychle diverzifikovaly před 130 miliony a 90 miliony let, možná tomu napomohlo kovoluce s opylujícím hmyzem. Sociální hmyz se objevil zhruba ve stejné době a přestože má relativně málo druhů, tvoří dnes přes 50% celkové hmotnosti veškerého hmyzu. Lidé se vyvinuli z linie vzpřímeně chodících opic, které se objevily před 6 až 7 miliony lety, a anatomicky moderní lidé se objevili před 200 000 lety. Průběh evoluce byl několikrát změněn masovým vymíráním, které vyhladilo dříve dominantní skupiny a umožnilo jiným povstat z temnoty a stát se hlavními složkami ekosystémů.