无论是中国还是西方国家，对化石的认识已经有千年以上的历史。然而古生物学成为一门科学是开始于18世纪后期的，大约有200年的历史。这门科学的奠基者包括：拉马克（无脊椎动物学）、W·史密斯（生物地层学）、G·居维叶（提出相关规律及绝灭、灾变等概念）、达尔文他提出的进化论为古生物学提供了科学的理论基础，同时指出了“化石记录的不完整性”这一缺陷。
自此到20世纪中叶的一百多年的时间里，以描述古生物学和生物地层学为古生物学的主流，在这一方面成就是非常巨大的。首先是在西欧、北美，然后是在苏联、东欧、日本、中国、印度，以及世界其他地区先后出版了大量的古生物和生物地层专著，为古生物学的综合研究提供了事实基础。在这一时期内，古生物学其他方面的发展并不明显，原因之一是现代生物学（遗传学，分子生物学）的发展还没有渗透进来，在地质学中也缺乏能够为古生物学指明道路的统一理论框架。
20世纪中叶以后，古生物学又出现了一些重大的突破：其一，电子显微镜、特种摄影技术的应用和石油勘探的需要，使一些新分支快速发展起来，其中包括微体和超微古生物学、古生物化学、化石岩石学等；其二，由于有了大量资料积累的基础，古生物理论发展也极为迅速，最早是辛普森和迈尔基于遗传学和进化论对古生物进化理论的综合。20世纪60年代后，板块理论为古生物学提供了统一的全球地质背景，又向古生物学提出了新的要求。由于生物学上一些新的发展（中性学说、分支系统学等），古生物学在进化论、系统分类学、古生物地理学等方面出现了许多新思想。这些新思想对传统观念起到了一定的冲击作用，因此还出现了一些新的成就，如总鳍鱼类不具内鼻孔而可能不是四足类的祖先等。