古生物学的研究往往以化石为主要对象，其研究包括两个阶段：野外研究阶段和室内研究阶段。
野外阶段以采集标本和收集观察资料为主要内容。采集和观察的要求一般是量多质好，具体要求随研究任务而定。例如做生物地层研究，最好选择良好剖面，逐层寻找和采集化石，同时进行测量，逐层观察并记录岩性和化石产出情况，并且对岩石、化石标本进行编录包装；如果是进行古生态研究，除一般的生物地层工作外，还要着重观察收集古生物的分布、埋葬、群落结构等资料，通常要在野外进行定量的采集和观察并多作素描和照相。
室内阶段包括对化石的鉴定描述和专题研究。鉴定描述又包括磨制、修理、鉴定、照像、描述等一系列程序，所使用的分类法和描述程序与生物学是一样的，命名法（二名法、优先律等）也遵循“国际动（植）物命名法规”的规定。在此基础上，再进行某一学科方向的专题研究。