Paleobiologija je veja naravoslovnih znanosti, ki se osredotoča na preučevanje izvora in zgodovine življenja na Zemlji z uporabo fosilnih zapisov. V tem smislu bi jo lahko šteli za vejo paleontologije, združuje pa tudi vidike drugih znanstvenih področij. Kot posebno področje študija se je paleobiologija pojavila v 20. stoletju, znanstveni napredek pa je znatno razširil obseg tega znanstvenega področja. Mnoge večje univerze ponujajo paleobiološke programe, pri čemer paleobiologi delajo na univerzah, muzejih in raziskovalnih ustanovah po vsem svetu.
V paleobiologiji se preučujejo tako fosilizirane rastline kot živali. Te fosilizirane ostanke preučujejo zaradi njihove bistvene vrednosti, preučujejo pa jih tudi, da bi pogledali, kako se je življenje na Zemlji razvijalo in se še naprej razvija. Poleg preučevanja fizičnih fosilov si lahko raziskovalci ogledajo tudi sledi, ki so jih za sabo pustili različni organizmi, in s temi sledi sestavijo koščke evolucijske sestavljanke. V paleobioloških raziskavah je mogoče uporabiti karkoli veliko stvari, od fosiliziranih mikroorganizmov, ki jih je skoraj nemogoče videti, do kosti dinozavrov.
Mnogi paleobiologi se odločijo, da se osredotočijo na določeno področje znotraj paleobiologije. Na primer, nekdo, ki preučuje rastline, je paleobotanik, medtem ko je nekdo, ki se osredotoča na živali, paleozoolog. Možno je tudi študirati paleokemijo, paleoekologijo in mikropaleontologijo, raziskave, ki se osredotočajo na mikroorganizme in snovi v sledovih, ki jih puščajo za seboj. Nekateri paleobiologi se osredotočajo na stvari, kot so vrtine, tuneli in luknje, ki jih ustvarijo različni organizmi, v tem primeru so znani kot paleoihnologi. Paleobiologija vključuje tudi preučevanje stvari, kot so starodavni vzorci atmosfere, vzeti iz ledenih jeder.
Kariera v paleobiologiji zahteva zanimanje za naravoslovje, skupaj s pripravljenostjo za trdo delo v različnih pogojih. Medtem ko se veliko osebkov pregleda v laboratorijskih okoljih, mnogi paleobiologi radi delajo na terenu, da vidijo fosile in situ in zagotovijo, da so pravilno zbrani. Študenti na tem področju običajno študirajo vsaj geologijo in biologijo, preden se preselijo na določeno področje, večina pa nadaljuje podiplomsko delo iz paleobiologije.
Napredek znanstvene tehnologije je omogočil neverjetne dosežke v paleobiologiji. Na primer, starodavne vzorce cvetnega prahu je mogoče pridobiti in preučiti, da bi izvedeli več o arhaičnih rastlinah, in tehnologijo je mogoče uporabiti za ogled notranjosti fosilov, da vidite vzorce, preden se fosile odprejo. Nekateri paleobiologi se osredotočajo posebej na ustvarjanje nove tehnologije za napredek svoje znanosti v sodelovanju z ekipami inženirjev in drugih strokovnjakov.