miniatura|Duria Antiquior, un dorset més antic és una aquarel·la pintada pel geòleg Henry de la Beche, el 1830, basant-se en fòssils descoberts per Mary Anning. A la fi del i primeria del van ocórrer canvis ràpids i dramàtics en el pensament sobre la història de la vida a la Terra La història de la paleontologia recorre la història dels esforços per entendre la història de la vida a la Terra per l'estudi del registre fòssil deixat per organismes vius. Pot ser considerada com un camp de la biologia, però el seu desenvolupament històric ha estat estretament lligat a la geologia i l'esforç per entendre la història de la Terra.
En l'antiguitat, Xenòfanes (570-480 aC), Heròdot (484-425 aC), Eratòstenes (276-194 aC) i Estrabó (64 aC-24 dC) escrigueren sobre els fòssils d'organismes marins que indicaven que la seua terra havia estat alguna vegada sota l'aigua. Durant l'edat mitjana, el naturalista persa Ibn Sina (conegut com a Avicenna a Europa) tractà sobre fòssils en El llibre de la curació (1027), en què proposà una teoria sobre fluids petrificants que Albert de Saxònia estendria al s. XIV. El naturalista xinés Shen Kuo (1031-1095) proposaria una teoria del canvi climàtic basada en l'evidència del bambú petrificat.
En l'Europa moderna, l'estudi sistemàtic dels fòssils sorgí com una part dels canvis en la filosofia de la natura que es produïren durant l'edat de la raó. La naturalesa dels fòssils i la seua relació amb la vida en el passat s'entengué millor durant els s. XVII i XVII;Ial final del s. l'obra de Georges Cuvier obrí un llarg debat sobre la realitat de l'extinció, la qual cosa feu sorgir la paleontologia associada a l'anatomia comparada com a disciplina científica. El creixent coneixement del registre fòssil també tingué un paper creixent en el desenvolupament de la geologia, sobretot de l'estratigrafia.
El 1822, el terme «paleontologia», l'encunyà l'editor d'una revista científica francesa per referir-se a l'estudi dels antics organismes vius mitjançant fòssils, i durant la primera meitat del s. les activitats geològiques i paleontològiques es feren més organitzades amb el creixement de societats i museus geològics i amb el nombre creixent de geòlegs i especialistes en fòssils. Aquest fet contribuí a un ràpid augment del coneixement sobre la història de la vida a la Terra, i aconseguí un important progrés cap a la definició de l'escala temporal geològica basada sobretot en evidència fòssil. Com que el coneixement de la història de la vida millorà, es feu més evident que existia algun tipus d'ordre successiu durant el desenvolupament de la vida. Aquesta afirmació encoratjaria les teories evolutives primerenques sobre la transmutació de les espècies. Després que Charles Darwin publicara L'origen de les espècies el 1859, gran part de l'enfocament de la paleontologia es dirigí cap a la comprensió de les vies evolutives, incloent l'evolució humana i les teories evolucionistes.
Durant la segona meitat del s. s'expandí molt l'activitat paleontològica, especialment a Amèrica del Nord. La tendència continuà durant el s. quan diverses regions de la Terra s'obriren per recol·lectar fòssils, com ho demostra una sèrie de descobriments importants a la Xina, prop del final del s. xx. S'han descobert moltes formes transicionals, i actualment hi ha abundant evidència de com es relacionen totes les classes de vertebrats, gran part en forma de transició. Durant els darrers vint anys del s. augmentà l'interès en les extincions massives i en el paper que juguen en l'evolució de la vida a la Terra.Bowler Evolution: The History of an Idea p. 351-352. També es revifà l'interès en l'explosió cambriana, durant la qual sorgiren els plans corporals de la majoria dels talls animals. El descobriment dels organismes ediacarians i el desenvolupament de la paleobiologia estengueren el coneixement de la vida molt abans del Cambrià.
Abans del s. XVII Ja al segle VI aC, el filòsof grec Xenòfanes de Colofó (570-480 aC), reconegué que algunes petxines fòssils eren restes de mol·luscs, i ho utilitzà com a evidència per argumentar que el que en aquell moment era terra ferma alguna vegada havia estat sota el mar.Desmond p. 692-697. Leonardo da Vinci (1452-1519), en un quadern inèdit, també arribà a la conclusió que algunes petxines marines fòssils eren restes de mol·luscs. En tots dos casos, però, els fòssils eren restes d'espècies de mol·luscs que s'assemblaven molt a les espècies vives i, per tant, eren fàcils de classificar.Rudwick The Meaning of Fossils p. 39.
El 1027, el naturalista persa Ibn Sina (conegut com a Avicenna a Europa), proposà una explicació de com es produïa la petrificació dels fòssils en El llibre de la curació. Modificà una idea d'Aristòtil, que havia explicat aquest procés en termes d'exhalacions vaporoses. Ibn Sina modificà aquesta idea en la seua teoria dels fluids petrificants (succus lapidificatus), la qual va ser represa i estesa per Albert de Saxònia al s. i era acceptada per la majoria dels naturalistes del s. XVI.Rudwick The Meaning of Fossils p. 24
Shen Kuo (1031-1095) de la dinastia Song utilitzà fòssils marins trobats a les muntanyes Taihang per inferir l'existència de processos geològics com la geomorfologia i les fluctuacions de la riba del mar amb el temps.Shen Kuo,Mengxi Bitan (梦溪笔谈; Dream Pool Essays) (1088) Fent observacions de bambús petrificats preservats sota terra a Yan'an, regió de Shanbei, província de Shaanxi, formulà una teoria del canvi climàtic gradual, ja que Shaanxi era part d'una zona de clima sec que no proporcionava un hàbitat adequat al creixement del bambú.Needham, volum 3, p. 614.
Com a resultat de la nova èmfasi en l'observació, classificació i catalogació de la natura, els filòsofs naturals del s. a Europa establiren extenses col·leccions de fòssils (així com col·leccions d'espècimens de plantes i animals), que sovint s'emmagatzemaven en gabinets especials. Conrad Gesner publicà al 1565 un treball sobre fòssils que contenia una de les primeres descripcions detallades d'un gabinet i col·lecció. La col·lecció pertanyia a un dels membres de l'extensa xarxa de corresponsals dels quals Gesner obtenia informació per als seus treballs. Aquest tipus de xarxes de correspondència informals entre filòsofs naturals i col·leccionistes es feu cada vegada més important en el s. i fou precursor directe de les societats científiques que es formarien al s. Aquestes col·leccions en gabinet i xarxes de correspondència jugaren un paper important en el desenvolupament de la filosofia natural.Rudwick The Meaning of Fossils p. 9-17
La majoria dels europeus del s. , però, no reconegueren que els fòssils eren restes d'organismes vius. L'etimologia de la paraula fòssil prové del llatí: 'desenterrar, desenterrat'. En conseqüència, el terme s'aplica a una àmplia varietat d'objectes petris sense tenir en compte si podrien tenir un origen orgànic. Alguns escriptors del s. com Gesner i Georgius Agricola estaven més interessats en la classificació d'aquest tipus d'objectes per les propietats físiques i místiques que en la determinació del seu origen.Rudwick The Meaning of Fossils p. 23-33 A més, la filosofia natural del període procurà que es formularen explicacions alternatives a l'origen dels fòssils. Les escoles aristotèliques i neoplatòniques donaren suport a la idea que els objectes petris poden créixer dins de la terra com els éssers vius. La filosofia neoplatònica sostingué que podia haver-hi afinitats entre els objectes vius i no vius que podrien causar que uns se'n semblaren a altres. L'escola aristotèlica opinava que les llavors d'organismes vius podrien introduir-se sota terra i generar objectes semblants a aquests organismes.Rudwick The Meaning of Fossils p. 33-36
Segle miniatura|Johann Jakob Scheuchzer tractà d'explicar l'origen dels fòssils recorrent a les inundacions bíbliques en Herbarium of the Deluge (1709) Durant la Il·lustració, els canvis fonamentals en filosofia natural es reflectiren en l'anàlisi dels fòssils. El 1665 Athanasius Kircher atribuí l'origen dels ossos gegants a ètnies extintes d'humans gegants en Mundus subterraneus. En el mateix any, Robert Hooke publicà Micrographia, una col·lecció il·lustrada de les seues observacions al microscopi. Una d'aquestes observacions es titulava «De fusta petrificada, i altres organismes petrificats», que incloïa una comparació entre la fusta petrificada i la fusta ordinària. Conclogué que la fusta petrificada era fusta ordinària que havia estat amerada amb «aigua impregnada amb pedres i partícules de terra». Suggerí llavors que diversos tipus de fòssils de petxines marines s'havien format a partir de petxines ordinàries mitjançant un procés semblant. Argumentà en contra de l'opinió generalitzada que tals objectes eren «pedres formades per alguna extraordinària virtut plàstica latent en la Terra mateixa».Hooke Micrographia observation XVII Hooke creia que els fòssils donaven evidència sobre la història de la vida a la Terra, com ho declarà el 1668: miniatura|Aquesta il·lustració del treball de Stensen al 1667 mostra un cap de tauró i una dent fòssil per comparança Hooke estava disposat a acceptar la possibilitat que alguns d'aquests fòssils representaren espècies que s'havien extingit, possiblement en catàstrofes geològiques passades.
El 1667 Niels Stensen escrigué un article sobre un cap de tauró que havia disseccionat. Comparà les dents de tauró amb els objectes fòssils comunament coneguts com a pedres de llengua. Arribà a la conclusió que aquests fòssils eren dents de tauró. Stensen s'interessà llavors pels fòssils, i per fer front a algunes de les objeccions sobre el seu origen orgànic estudià els estrats de sòl. El resultat d'aquest treball fou publicat el 1669 com Un precursor d'una dissertació sobre un sòlid tancat de manera natural dins d'un altre sòlid. En aquest llibre, Stensen establí una distinció entre objectes com els cristalls de roca que s'havien format dins de les roques i les petxines fòssils o dents de tauró que s'havien format fora d'aquestes roques. Stensen s'adonà que certs tipus de roques s'havien format per la deposició successiva de capes horitzontals de sediment i que els fòssils eren les restes d'organismes vius que s'havien enterrat en aquest sediment. Com la majoria dels filòsofs naturals del s. Stensen creia que la Terra tenia només uns pocs milers d'anys d'antiguitat, per la qual cosa va recórrer a la inundació bíblica com una possible explicació per als fòssils d'organismes marins lluny del mar.Rudwick The Meaning of Fossils pp 72-73.
Malgrat la considerable influència del Precursor, naturalistes com Martin Lister (1638-1712) i John Ray (1627-1705) continuaren qüestionant l'origen orgànic d'alguns fòssils, com els ammonits fòssils, dels quals Hooke afirmava que eren d'origen orgànic, no obstant no assemblar-se a cap espècie viva coneguda. Això plantejava la possibilitat d'una extinció, que trobaren difícil d'acceptar per raons filosòfiques i teològiques.Rudwick The Meaning of Fossils pp 61-65 El 1695 Ray escrigué al naturalista gal·lès Edward Lluyd queixant-se que:
Segle miniatura|S'hi afegí una il·lustració comparativa de mandíbules el 1799 després de publicar la presentació de Cuvier el 1796 sobre els elefants vivents i fossilitzats En l'obra Èpoques de la natura, Georges Buffon es refereix als fòssils, en particular al descobriment de fòssils d'espècies tropicals com els elefants i rinoceronts del nord d'Europa, com a evidència de la teoria que la Terra havia estat molt més càlida del que actualment era i s'havia anat refredant gradualment.