Paleobioloogia on loodusteaduste haru, mis keskendub elu päritolu ja ajaloo uurimisele Maal fossiilsete dokumentide abil. Selles mõttes võiks seda pidada paleontoloogia haruks, kuid see ühendab endas ka teiste teadusvaldkondade aspekte. Spetsiifilise uurimisvaldkonnana tekkis paleobioloogia 20. sajandil ja teaduse areng on muutnud selle teadusvaldkonna ulatuse palju laiemaks. Paljud suuremad ülikoolid pakuvad paleobioloogiaprogramme, kusjuures paleobioloogid töötavad ülikoolides, muuseumides ja uurimisasutustes üle kogu maailma.
Paleobioloogias uuritakse nii kivistunud taimi kui loomi. Neid kivistunud säilmeid uuritakse nende sisemise väärtuse osas, kuid neid uuritakse ka selleks, et uurida, kuidas elu Maal arenes ja areneb edasi. Lisaks füüsiliste fossiilide uurimisele saavad teadlased vaadata ka erinevate organismide mahajäetud jälgi, kasutades neid jälgi evolutsioonilise pusle tükkide kokkupanemisel. Paleobioloogiauuringutes saab kasutada paljusid asju, alustades kivistunud mikroorganismidest, mida on praktiliselt võimatu näha, kuni dinosauruste luudeni.
Paljud paleobioloogid otsustavad keskenduda paleobioloogia konkreetsele valdkonnale. Näiteks keegi, kes uurib taimi, on paleobotaanik, samas kui keegi, kes keskendub loomadele, on paleosooloog. Samuti on võimalik õppida paleokeemiat, paleoökoloogiat ja mikropaleontoloogiat, mis keskenduvad mikroorganismidele ja nendest endast maha jäetud ainetele. Mõned paleobioloogid keskenduvad sellistele asjadele nagu puurid, tunnelid ja erinevate organismide loodud augud, sel juhul nimetatakse neid paleoihnoloogideks. Paleobioloogia integreerib ka selliste asjade uurimist nagu jääsüdamikest võetud iidsed atmosfääriproovid.
Paleobioloogia karjäär eeldab huvi loodusteaduste vastu koos valmisolekuga töötada erinevates tingimustes. Kuigi paljusid proove uuritakse laboris, meeldib paljudele paleobioloogidele välitingimustes treenida, fossiile kohapeal näha ja tagada nende õige kogumine. Selle valdkonna õpilased õpivad tavaliselt vähemalt geoloogiat ja bioloogiat enne konkreetsesse fookusvaldkonda siirdumist ning enamik neist jätkab paleobioloogia kraadiõpet.
Teadustehnoloogia edusammud on võimaldanud uskumatuid saavutusi paleobioloogias. Näiteks saab koguda ja uurida iidseid õietolmuproove, et saada rohkem teavet arhailiste taimede kohta, ning tehnoloogia abil saab fossiilide seest vaadata, et näha mustreid enne fossiilide avamist. Mõned paleobioloogid keskenduvad konkreetselt uue tehnoloogia loomisele oma teaduse edendamiseks koostöös inseneride ja teiste ekspertide meeskondadega.