Paleontolojinin tarihi; yaşayan organizmaların geride bıraktıkları fosilleri inceleyerek dünyadaki yaşamın geçmişini anlamaya yönelik yapılan çalışmaların izini sürer. Yaşayan organizmaları anlamayla ilişkili olduğundan dolayı bir biyoloji alanı olarak düşünülebilir; ancak tarihsel gelişimi jeoloji ve dünyanın kendi tarihini anlama çabasıyla yakından ilişkilidir.

Antik zamanlarda Ksenofanes (M.Ö. 570-480), yaşadığı coğrafyanın bir zamanlar sular altında olduğunu göstererek fosil deniz kabukları hakkında yazdı. Fosiller, Ortaçağ'da İranlı doğabilimci İbn-i Sina tarafından “Şifa Kitabı“'nda (1027), 14. yüzyılda Frederick Augustus Albert'nin detaylandıracağı taşlaşan sıvılar teorisiyle konu edildi. Çinli doğabilimci Shen Kuo (1031-1095), taşlaşan bir bambu ağacını kanıt göstererek iklim değişikliği teorisini ortaya koydu.

Günümüz Avrupa'sının ilk zamanlarında fosiller üzerine yapılan sistematik araştırmalar, 17. yüzyıl felsefesi ile doğa felsefesinde meydana gelen değişikliklerin bir parçasıdır. Fosillerin doğası ve geçmişteki yaşam ile ilişkileri, 17. ve 18. yüzyıllarda daha iyi anlaşıldı. 18. yüzyılın sonlarında Georges Cuvier, uzun zamandır soy tükenmesi gerçeği hakkında devam eden tartışmalara bir son verdi ve paleontolojinin, karşılaştırmalı anatomi ile birlik içerisinde bilimsel bir disiplin olmasına öncü oldu. Fosiller hakkında edinilen bilgilerin artması da jeolojinin ve kısmen stratigrafinin gelişimine katkıda bulundu.