古生物学（こせいぶつがく、paleontology）は、地質学の一分野で、過去に生きていた生物（古生物）を研究する学問である。地質学的時間尺度での過去において地球上に生きてきた生物を対象とし、その生物の分類・生態・歴史・進化を明らかにすることを目的とする。生物学、生態学の他、層序学や地球化学なども関連する。主に化石標本を用いて研究を行う。

古生物学は、扱う生物の分類により、動物を対象とする古動物学、植物を対象とする古植物学、微化石を対象とする微古生物学等に分けられる。他にも、主に古生物とその生活環境との相互関係を研究対象とする古生態学、古生物の地理的分布を研究対象とする古生物地理学といった分野も含む。

地質学の発展において古生物学の果たした役割は大きく、放射年代測定が登場するまでは、示準化石によって組み立てられた生層序学に基づく地層区分が唯一の時間尺度であった。

現在、古生物の生きていた（または出土した地層の）年代（古さ）を調べるには、示準化石や化石中に含まれる放射性元素を直接測定する、あるいは周囲の放射性元素からの影響を測定する放射年代測定（放射性炭素年代測定やESR法など）、アミノ酸の変化を利用する方法（ラセミ化法）などを用い、生きていた（または堆積した）環境を調べるには示相化石が用いられる。