对于化石的认识在中国和西方都已有千年以上的历史。但古生物学成为科学则始于18世纪后期,约有200年历史。这门科学的奠基者包括:J.-B.de拉马克（无脊椎动物学）、W.史密斯（生物地层学）、G.居维叶（提出相关律及绝灭、灾变等概念）、C.R.达尔文（他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）。
从那时以后到20世纪中叶的百余年间，古生物学的主流是描述古生物学和生物地层学。这方面的成就是巨大的。先是西欧、北美，然后苏联、东欧、日本、中国、印度，以至世界其他地区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。这个时期古生物学其他方面的发展不显著，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为古生物学指明道路的统一理论格架。
从20世纪中叶以后,古生物学有一些重大的突破:①电子显微镜、特种摄影技术的应用和石油勘探的需要，使一些新分支飞跃发展起来，这包括微体和超微古生物学、古生物化学、化石岩石学等；②在大量资料的积累的基础上，古生物理论工作发生飞跃，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。60年代后，由于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潮。形成对传统观念的冲击，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。
展望今后古生物学的发展，有两个趋势是比较明显的：①描述古生物学和生物地层学作为一切研究的基础，仍将大规模进行。但重点将从大化石转向微体及超微化石，从定性转向定量；在鉴定描述、摄影显像、储存处理各方面技术上，将有巨大的变化；②现代古生物学和古生物学与其他科学的跨学科研究将日益加强。
理论古生物学方面，间断平衡论、新灾变论、分支系统学与替代分化生物地理学结合在一起，总的趋向是否定渐变论，强调突变与渐变的结合，并适当注意灾变。
古生物学与数、理、化、天、地、生六大基础学科的结合以及与地质学分支学科（大地构造学、岩石学、构造地质学）的结合正在形成许多新生长点。
中国古生物学研究开始于20世纪初,比欧美晚了100年,因此目前仍需要大量积累基本资料,描述古生物学和生物地层学工作仍有不可忽视的重要作用，因为它是一切古生物学和地质学研究的基础,并需不断总结提高,力争形成符合中国情况的系统，打破“欧美标准”的生物地层学框框。同时也要大力开展现代古生物学研究，改变只提供素材而缺少理论综合的局面。