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古生物学（こせいぶつがく、アメリカ英語: paleontology、イギリス英語: palaeontology）は、地質学の一分野で、過去に生きていた生物（古生物）を研究する学問である。 地質学的時間尺度での過去において地球上に生きてきた生物を対象とし、その生物の分類・生態・歴史・進化を明らかにすることを目的とする。つまり古生物を対象とする生物学である。生物学、生態学の他、層序学や地球化学なども関連する。主に化石標本を用いて研究を行う。 古生物学は、扱う生物の分類により、動物を対象とする古動物学（古脊椎動物学、古無脊椎動物学）、植物を対象とする古植物学、微化石を対象とする微古生物学等に分けられる。他にも、主に古生物とその食性・生活環境との相互関係を研究対象とする古生態学、古生物の地理的分布を研究対象とする古生物地理学 地質学の研究においては、離れた地域間でそれぞれ観察される地層が同一時期に形成されたものか、そうでない場合地層間の上下関係について判断する作業が必要となる。19世紀初め、地層に含まれる化石に注目し、これを地層の同定及び新旧の判断に利用すること（地層同定の法則）が提唱され、基本法則として確立した。この法則によりはじめて地質学は近代科学として発展することができた。このように、地質学が発展する上で古生物学の果たした役割は大きく、放射年代測定が登場するまでは、示準化石によって組み立てられた生層序学に基づく地層区分が唯一の時間尺度であった。 現在、古生物の生きていた（または産出した地層の）年代（古さ）を調べるには、示準化石や化石中に含まれる放射性元素を直接測定する、あるいは周囲の放射性元素からの影響を測定する放射年代測定（放射性炭素年代測定やESR法など）、アミノ酸の変化を利用する方法（ラセミ化法）などを用い、生きていた（または堆積した）環境を調べるには示相化石が用いられる。
呼称される範囲
年代推定