Η μελέτη του οργανικού κόσμου, που περιλαμβάνει τα απολιθώματα φυτών και ζώων μέσα σε πετρώματα που ανήκουν σε προηγούμενες γεωλογικές εποχές είναι το αντικείμενο της εργασίας του. Ο παλαιοντολόγος ερευνά όχι μόνον τα λείψανα των οργανισμών αυτών, αλλά και τα ίχνη ή τα αποτυπώματά τους, καθώς και οποιαδήποτε άλλη ένδειξη για την ύπαρξή τους. Τα απολιθώματα τον βοηθούν σημαντικά στον καθορισμό της γεωλογικής ηλικίας των πετρωμάτων και κυρίως στον προσδιορισμό σημαντικών βιολογικών προβλημάτων που έχουν σχέση με την προέλευση, την εξέλιξη, αλλά και την εξαφάνιση διάφορων μορφών ζωής στη Γη.