Paleobiologija yra gamtos mokslų šaka, kurioje pagrindinis dėmesys skiriamas gyvybės Žemėje ištakoms ir istorijai tirti naudojant fosilijų įrašus. Šia prasme ją būtų galima laikyti paleontologijos šaka, tačiau ji jungia ir kitų mokslo sričių aspektus. Paleobiologija, kaip specifinė studijų sritis, atsirado XX amžiuje, o dėl mokslo pažangos šios mokslo srities aprėptis tapo daug platesnė. Daugelis didžiųjų universitetų siūlo paleobiologijos programas, paleobiologai dirba universitetuose, muziejuose ir tyrimų įstaigose visame pasaulyje.
Paleobiologijoje tiriami ir suakmenėję augalai, ir gyvūnai. Šios suakmenėjusios liekanos tiriamos dėl jų vidinės vertės, tačiau jos taip pat tiriamos siekiant išsiaiškinti, kaip gyvybė Žemėje vystėsi ir toliau vystosi. Tyrėjai ne tik tyrinėja fizines fosilijas, bet ir gali pažvelgti į įvairių organizmų paliktus pėdsakus, panaudodami šiuos pėdsakus evoliucinės dėlionės dalims sudėti. Paleobiologijos tyrimuose gali būti panaudota daugybė dalykų, pradedant suakmenėjusiais mikroorganizmais, kurių praktiškai neįmanoma pamatyti, iki dinozaurų kaulų.
Daugelis paleobiologų nusprendžia sutelkti dėmesį į konkrečią paleobiologijos sritį. Pavyzdžiui, kažkas, kas tiria augalus, yra paleobotanikas, o tas, kuris daugiausia dėmesio skiria gyvūnams, yra paleozoologas. Taip pat galima studijuoti paleochemiją, paleoekologiją ir mikropaleontologiją – mokslinius tyrimus, kuriuose pagrindinis dėmesys skiriamas mikroorganizmams ir jų paliekamoms medžiagoms. Kai kurie paleobiologai daugiausia dėmesio skiria tokiems dalykams kaip gręžiniai, tuneliai ir skylės, kurias sukuria įvairūs organizmai, tokiu atveju jie yra žinomi kaip paleoichnologai. Paleobiologija taip pat integruoja tokių dalykų kaip senovės atmosferos mėginiai, paimti iš ledo šerdžių, tyrimą.
Paleobiologijos karjerai reikalingas domėjimasis gamtos mokslais ir noras sunkiai dirbti įvairiomis sąlygomis. Nors daugelis egzempliorių tiriami laboratorijoje, daugelis paleobiologų mėgsta treniruotis lauke, pamatyti fosilijas vietoje ir užtikrinti, kad jos būtų tinkamai surinktos. Šios srities studentai paprastai studijuoja geologiją ir biologiją, prieš pereidami į konkrečią dėmesio sritį, ir dauguma jų siekia paleobiologijos studijų pakopos.
Mokslinių technologijų pažanga leido pasiekti neįtikėtinų paleobiologijos pasiekimų. Pavyzdžiui, senovinius žiedadulkių mėginius galima atgauti ir ištirti, kad būtų galima daugiau sužinoti apie archajiškus augalus, o naudojant technologijas galima pažvelgti į fosilijų vidų ir pamatyti modelius prieš jas atidarant. Kai kurie paleobiologai, bendradarbiaudami su inžinierių ir kitų ekspertų komandomis, daugiausia dėmesio skiria naujų technologijų kūrimui, siekdami tobulinti savo mokslą.