生物地层学是研究生物化石的时空分布、地层形成发育规律和确定地层相对时代的地质地层学分支学科。生物地层学这一术语是比利时学者多洛于1904年首次提出的，意指应用古生物学方法研究的地层学。
史密斯在1816年发表的名著《用生物化石鉴别的地层》中，首次提出生物顺序发生的概念，既在整个地质时期内各种生物一个接着另一个按先后顺序出现。并指出，相同的层总是发现有相同的叠覆次序，并且包含相同的特有化石。这就是说化石顺序律与地层层序律是一致的。
生物顺序发生是生物进化的结果。生物从低级到高级，从简单到复杂，从不完善到完善的过程是一个前进性的发展。1893年，多洛把生物前进性的发展称为进化不可逆法则。因此，化石是鉴别地层相对时代的最好工具。
生物化石在不同的地质年代中显示着各不相同的特定面貌，而同一地质年代的化石却有着大致相同的面貌。这种生物阶段性的发展与地质历史的阶段性是密切结合在一起的，因此就有可能用生物发展面貌命名大的地质年代，如古生代、中生代和新生代等。
物种是形态稳定的生物分类单位，而化石种是生物地层学研究的基础材料。在利用化石种作地层对比时，含有相同化石种的地层被认为是同期的地层。但一个化石种的持续期估计在50万年到200万年之间，且不同化石种的时间延限不同，所以，以化石为基础的“地质同时”，不是一个精确的时间值。因此，生物地层学的地质同时性必须与通常的时间概念相区别。
进化速率是地层对比中衡量化石价值的主要标志。对进化速度快，如笔石、菊石、蜓等类别的属种的时限只占“阶”的一部分，它们的结构特征更替迅速，可较精确地代表一定层位的相对时代，利用这种化石作地层对比的标准性较高；进化缓慢的属，如舌形贝 (从奥陶纪延续到现代)等保守类型，用于地层对比的标准性就低。
新化石类型的出现和旧类型的绝灭都是地层划分的重要依据，但当新类型的出现与旧类型的孑遗分子混杂在一起，在地层划分上有争议时，一般优先考虑新类型，因为新类型的大量出现预示新阶段的开始。
地层中所保存的生物化石及其所代表的自然环境称生物相。生物相与岩相结合是恢复古环境的主要手段。只适应特定环境的生物称为狭生性生物，如珊瑚礁主要适应热带或亚热带环境适宜的海区，底栖的三叶虫等常限于浅海环境等。有重要指相意义的生物化石称为指相化石。
生物地层学方法是解决地球上出现生物以来的地层划分、对比的主要手段，随着先进技术的采用(如电子显微镜等)，它在解决前寒武纪后期的地层问题显得越来越重要。
地理分布广、代表地层时代较短的化石称为标准化石，用标准化石作地层对比是生物地层的传统方法。确定标准化石是一个实践经验积累的过程，经过实践检验的标准化石是地层对比的可靠工具。
共生在同一层位的化石称为化石群或化石组合。化石组合反映其所生存的地质时代的生物群面貌，同时也能指示古地理环境。用化石组合法研究划分对比地层，可全面考虑时限明确的化石属种作为代表，并结合与其他化石共存关系的研究，较严格地进行地层对比。各种生物化石所代表的时限，取其最稳定的。
为了在理论上说明“生物顺序”，就需要研究化石种的亲缘关系，恢复它的演化顺序。当我们从生物学的角度证明了甲种是乙种的祖先，就可无误地断定它们出现的先后顺序。为确定地层的相对时代提供理论依据。
近30年来，数字分析的各种方法已在生物地层学中广泛应用。1964年，肖把回归分析引入生物地层对比。肖引用距离公式，统计进行对比的各剖面中化石种的出现和消失之间的厚度，求出各个剖面间的对比方程。对比方程显示剖面所在地某一地质年代的沉积速率，并可做为时间对比的依据。多元统计方法如群分析、主成分分析、马尔可夫过程等都已有人尝试应用于生物地层问题分析，目前虽处于开创阶段，已日渐引起重视。