古生物学担负着为地质学和生物学服务的双重任务。
为地质学服务 建立地层系统和地质年代表 这是古生物学在地质学中应用最广、成效卓著的方面。根据地层层序律,生物演化的进步性、阶段性和不可逆性,经过数十年的努力，在19世纪建立了从前寒武系到第四系的地层系统和相应的地质年代系统。20世纪以来虽然发展了放射性年龄测定法及其他手段，生物地层学方法仍是确立各级地层单位的主要手段。与地质年代中代、纪、世、期相应的地层单位为界系、统、阶。例如把爬行动物、裸子植物、菊石类的繁盛时代划为中生代，其中恐龙类与菊石亚目极盛的时期为侏罗纪;早侏罗世以Eode-rocerataceae与 Psilocerataceae二个菊石超科为特征；其中赛诺曼期以白羊石菊石科为特征。期以下还可以分出若干菊石带。
划分和对比地层 这方面的研究称生物地层学。生物地层学方法中，历史最久的是标准化石法。标准化石须具备下列条件：存在的地质年代短，以便精确地确定地层年代；地理分布广泛，以便易于找到并可作大范围的对比。例如前面提到的白羊石，在欧亚各地古地中海区都能找到，是赛诺曼阶的标准化石。在使用标准化石法时，应注意任何化石都有在时间上发生、繁盛、稀少、绝灭的过程和在空间上起源、迁移、散布的过程。前人及文献中所规定的时代及地理分布需要根据具体情况而修改，不能生搬硬套。还要注意一个生物群中的各类化石都有不同程度的地层意义，不能忽视整个生物群面貌，而仅根据少数标准化石来判断地层年代。
除了标准化石法、百分统计法等外，近年来发展了许多生物地层学新方法，如生态群落对比法，数量（或图解）对比法等。
恢复古地理、古气候 由于适应环境的结果,各种生物在其习性行为和身体形态构造上都具有反映环境条件的特征。因此搞清了化石的形态、分类、生态后，应用“将今论古”的方法，就可以推断其生存时期的生活环境。这方面特别有用的是指相化石，即能明确指示某种沉积环境的化石。例如造礁珊瑚的生活环境为海洋，水深不超过100米，水温在18℃以上，海水清澈,水流平静。因此，如果在地层中发现了珊瑚礁体就可以判断其沉积环境为温暖、清澈的浅海。又如，蕨类植物生活在温暖潮湿的气候环境中，因此在地层中发现大量蕨类植物化石，就指示当时的古气候温暖潮湿。在使用化石恢复古环境时，应注意不少生物在地史时期中其生活环境有演变过程，例如海百合在古生代是典型浅海动物，现则多数栖居深海。此外，不仅指相化石，而且生物群的各类别以及沉积物本身都有反映环境的意义，须注意综合分析。
研究沉积岩和沉积矿产的成因及分布 许多沉积岩，如某些石灰岩、硅藻土，主要由化石组成，特别是能源矿产（石油、油页岩、煤）主要由动植物遗体转化形成。目前应用古生物学于找矿的主要有以下方面：①根据成矿化石的时代分布、生态特点等，研究矿产的分布规律；②广泛使用微体和超微化石，精确地划分对比含矿层位，指导钻探等；③从古生物化学角度，研究古生物通过吸附、络合、化合等方式富集稀有金属元素的规律；研究古细菌在矿产形成中的作用等。
在地球物理、地球化学、构造地质学方面的应用 地球自转速度的变化，引起生物生活条件的变化，反映为生物形态和结构的变化。古生物钟即利用生物生长周期的特征计算地史时期地球自转速度的变化。例如现代珊瑚体上一年生长期内约有360圈生长细纹,每纹代表一日。在泥盆纪的珊瑚化石上，该生长细纹约400圈,石炭纪的为385～390圈,说明当时每年天数分别为400及385～390左右，这些数据与用天文学方法求得的各地质时代每年的天数大致相同。用双壳纲、头足纲、腹足纲和叠层石的生长线研究也可得出相似结论。通过计算表明，自寒武纪以来，每年和每月的天数在逐渐减少，说明地球自转速度在变慢。
在构造地质学中，应用已变形化石（腕足类、笔石、三叶虫）和同类未变形化石的对比，来求得应变椭球体的形状和方向。
关于板块构造学说，也不乏借助于古生物学的例子，如南方大陆的分裂，可以用在两侧同时找到淡水爬行动物中龙(Mesosaurus)化石为例。在一系列微板块或地体的研究中，更需借助有关的古生物化石作对比依据。
古遗迹学在研究深海沉积形成的地层时很有意义。
为生物学服务 为生命起源学说和进化论提供事实依据。生命起源方面，已知最早的化石资料大致如下：
距今7 亿年 最早的大化石（伊迪卡拉动物群）
距今8 亿年 啮草原生动物形成
距今10亿年 有性分裂生物形成
距今15亿年 真核细胞形成
距今23亿年 产氧微生物群落发展
距今31亿年 最早的叠层石
距今33亿年 最早的化石（南非的古杆菌及巴贝通球藻）
以上过程清楚显示生命在早期发展阶段的进化过程。
古生物学为进化论提供的证据有3方面:①总的古生物发展史显示生物由低到高,由简单到复杂的总趋势,植物中由菌-藻-蕨类-裸子植物；动物中从原生动物-无脊椎动物-脊椎动物，脊椎动物中从鱼-两栖类-爬行类-鸟和哺乳类，其形成和繁盛的时代都是按上述顺序相继出现的。②在各主要类别之间陆续发现中间环节的化石，证明它们之间有亲缘关系和共同起源。例如介于鱼类和两栖类之间的总鳍类；介于两栖类和爬行类之间的鱼石螈；介于爬行类和鸟类之间的始祖鸟等。③在一些具体的类别中建立起符合进化论的系统发生关系，如马的谱系,从开始发生到现在的整个过程已研究得比较清楚,为进化提供了实证。
随着学科间渗透、交叉，古生物学的服务范围已超出地质学和生物学，向着天文学、物理学等方向扩展。