פָּלֵאוֹנְטוֹלוֹגִיה היא המדע העוסק בחקר המאובנים, שהם סימנים שהשאירו בעלי חיים וצמחים מתקופות קודמות, בשכבות האדמה השונות, בהם גם בעלי חיים שנכחדו כגון הדינוזאורים. מקור המילה מיוונית: פלאו פירושו ישן, און פירושו "קיים, יצור", לוגיה פירושו "תורה".
בניגוד לפלאונטולוגיה, עוסקת הנאונטולוגיה בחקר היצורים בני זמננו או בכאלו שנכחדו בעת החדשה. לעיתים נעזרים חוקרים בשיטות משני הענפים גם יחד.
לפלאונטולוגיה מספר ענפי משנה, בהם:
פלאוזואולוגיה, חקר המאובנים שמקורם בבעלי חיים.
פלאובוטניקה, חקר המאובנים שמקורם בצמחים.
מיקרופלאונטולוגיה, חקר המאובנים שמקורם במיקרואורגניזמים.
פלאואנתרופולוגיה, חקר מאובנים מן האבולוציה של האדם.
פלאואקולוגיה, חקר המאובנים במטרה להרכיב ולהבין את הסביבה והתנאים בהם חיו היצורים הקדומים על-פני כדור הארץ.
בקרב הציבור הרחב ידועה בעיקר הפלאוזואולוגיה ובפרט הפלאונטולוגיה של בעלי חוליות. תחום הפלאונטולוגיה של בעלי החוליות מפותח ביותר מכיוון שהשלדים והעצמות של בעלי חוליות הם עצמים קשים הנוטים להתאבן. הדינוזאורים הם אולי נושא המחקר המפורסם והמזוהה ביותר של הפלאונטולוגיה.
המחקר הפלאונטולוגי משלב בין מספר תחומי ידע, העיקריים שבהם הם ביולוגיה, אנטומיה, טפונומיה, מדעי כדור הארץ וגאולוגיה.
במחקר הפלאונטולוגי יש מספר סוגי התמחות ומחקר:
עבודת שדה וחפירת מאובנים.