古生物学的主要研究对象是化石。化石是保存在地层里的古代生物的遗体、遗迹和遗物，因此，它是我们了解古代地球上生物及其活动的第一手材料，是证明生物进化的直接证据，在科学研究上有着重要价值。我国古代典籍中记载了许多关于化石的发现和记述，对化石的成因和意义也有许多精到的记述。
化石中发现较早、记载和研究较多的是鱼类化石。最早的记录应是成书于战国（前475～221）的《山海经》中的《海外西经》，其中有这样一段话：
“龙鱼陵居其北，状如狸，一曰，即有神圣乘此以行九野。一曰鱼，在夭野北，其为鱼也如鲤。”
这是鲤科鱼化石的最早记载。其后《太平御览》引《郡国志》记：
“湘水边有木鱼山，本名石立山，高八十丈，阔十里，石色黑而重叠，每发一重，则有自然鱼形，女人多刻画为戏，长数寸，烧之鱼膏腥。”
《太平御览》又引南朝宋盛弘之（？～469）《荆州记》和《太平寰宇记》也有类似记载。与盛弘之前后的沈怀远《南越志》里记得更准确：
“衡阳湘乡县有石鱼山，下多玄石。石色黑，而理若云母，发开一重，辄有鱼形，鳞鳍首尾宛然如画，长数寸，鱼形备足，烧之作骨腥，因以名。”
由此可见，我国在公元四、五世纪就已经对鱼化石产地的地理位置、化石埋存的层位、化石保存的状况和形态以及人们对化石的检验与利用，作了比较科学的客观的描述。
北魏郦道元（465或472～527）在《水经·涟水注》中，以水道为纲，对湘乡县的鱼化石作了和《南越志》相似的记载。以后的唐·李吉甫（758～814）的《元和郡县志》、唐·段成武（？～863）的《酉阳杂俎》也都有相似记载。
宋·杜绾经过实地考察，在《云林石谱》里，对鱼化石的记载更加详细：
“潭州湘乡县山之颠，有石卧生土中，凡穴地数尺，见青石，即揭去，谓之盖鱼石，自青石之下，色微青或灰白者，重重揭取，两边石面有鱼形，类鳅鲫，鳞鬣悉如墨描，穴深二三丈，复见青石，谓之载鱼石，石之下，即着沙土，就中选择数尾相随游泳，或石纹斑处全然如藻荇，但百十片中，无一、二可观，大抵石中鱼形，反侧无序者颇多，间有两面如龙形，作蜿蜒势，鳞鬣爪甲悉备，尤为奇异，土人多作伪，以生漆点缀成形，但刮取烧之，有鱼腥气，可以辨。”
这里就鱼化石实际保存状况和由化石可以看到的生活及生境情况，根据实地考察作了细致的描述。同书还记载了另一鱼化石产地：
“陇西地名鱼龙，掘地取石，破而得之，亦多鱼形，与湘西所产不异，岂非古之陂泽，鱼生其中。因山颓塞，岁久土凝为石，而致然欤？”
对鱼化石形成原因作了科学的分析。
此外，清·沈心房在《怪石录》记山东莱阳也有鱼化石，并作玩赏工艺品用：
“鱼石产莱阳大山，色如败酱，有游鱼久，鳞鬣宛然，间有荇藻影者，琢磨方正，以嵌屏风书几，堪亚大理点苍山石。”
徐崑在《遁斋偶笔》中也记有：
“鱼石出莱阳，石皆成片，原不及寸，紫黑色，石中隐隐有鱼，长数寸，如鲫如鲇，如白条一，头尾毕具，类多见骨，酷似枯鱼，可生动之致。亦间有荇藻叶，掩映逼真。”
从这些记载看，不仅鱼化石的种类繁多，而且有绿色水生植物的化石共存，简直构成了一个生态系统。
无脊椎动物化石，发现较晚。有腕足动物、软体动物和节肢动物。
最早记录的是腕足动物石燕，产地都在湖南零陵县。东晋罗含的《湘中记》载：
“零陵有石燕，形似燕，得雷雨则群飞。”
顾恺之（392～407）的《启蒙记》、南朝宋甄烈和庚仲雍的《湘州记》也有相似描述。唐·苏敬撰《新修本草》记述说：
“永州（今零陵县东北）出石燕，形似蚶而小。”“俗因雷雨，则自石穴中出，随风飞坠者妄也。”
说明对石燕的腕足类特征有所认识。至于罗含所说的石燕群飞现象，许多人曾加以辨别：如郦道元在《水经·湘水注》中说：“湘水东南流经石燕山东，其山有石蚶如燕，因以名山，其石或大或少，若母子焉。及其风雷相薄，则石燕群飞，顽如真燕矣。罗君章云，今燕不必复飞也。”宋代寇宗奭也说：“石燕今人用者，如蚬蛤之状，色如土，坚重则石也。”“既无羽翼，焉能自石穴中飞去。何故只堕沙滩上，此说近妄。”宋代周去非在《岭外代答》中说：“广西象山江滨石中有之，凡石中有嵌生如海蚶者极多。非真石燕也。”
这是杜绾在绍兴初（1131）用实验加以证明：
“顷岁，余涉高岩，石上如燕形者颇多，因以笔识之，石为烈日所暴，偶骤雨过，凡所识者一一坠，盖寒热泪激迸落，不能飞尔。”（《云林石谱》中）
对节肢类化石石蟹，宋·唐慎微在《政和经史证类本草》中记有：
“生南海，又云是寻常蟹尔。年月深久，水泮相著，因化成石。每遇海潮即飘出。又一般入洞穴，年深者，亦然。”
这里指出了石蟹形成有两种情况。苏颂（1021～1101）在《图经本草》中说：“出南海，今岭南近海州郡皆有之。”“体质石也。”寇宗奭说：“石蟹直是今之生蟹，无异处，但有泥与粗石相着。”方以智（1611～1671）在《物理小识》中引顾珍《海槎录》说：“崖州榆林港土腻最寒，蟹入不能动，久之则成石蟹矣。”记载清楚，解释则不尽令人满意。
软体螺蚌壳类化石，记录较早的是唐代著名书法家颜真卿（709～785），他在江西抚州任抚州刺史时，一次游览后写了一篇《抚州南城县麻姑山仙坛记》说：“南城县有麻姑山，顶有古坛，……东北有石崇观，高石中有螺蚌壳，或以为桑田所变，刻金石以志之，时则六年（771）夏四月也。”说明这类化石的形成，是海陆变迁自然作用的结果。
宋代著名科学家沈括（1031～1095）在《梦溪笔谈》中说：
“子奉使河北，沿太行西北，山崖之间往往衔螺蚌壳及白子如鸟卵者，横亘石壁如带。此乃昔之海滨，今东注海已近千里，所谓大陆者，皆浊泥所湮耳。”
这里正确地论断了河流的侵蚀和沉积作用，并根据化石的堆积推论了海陆的变迁。
宋代著名学者朱熹（1132～1200）进一步发挥了这种思想见解：
“尝见高山有螺蚌壳，或生石中，此石即旧日之上，螺蚌即水中之物，下者却变而为高，柔者却变而为刚。此事思之至深，有可验者。”（《朱子语类》卷九十四）
元代于钦（1284～1332）在《齐采》中，也用齐地云门山“山崖螺蚌石子横互如带”证实了沈括的推论。
关于琥珀化石，我国古书记载也很多。《山海经·南山经》记为“育沛”，《汉书，西域传》作“琥珀”，《后汉书·西南夷传》作“虎魄”，《隋书·波斯传》作“兽魄”又名“顿牟”。后汉杨孚在《异物志》中解释说：“虎珀之本成松胶也，或以作杯瓶。”晋张华（232～300）在《博物志》中说；“松脂入地所为。”陶弘景（452～536）在《本草经集注》中说：“旧说松脂沦入地千年所化，今烧之亦作松气……”、“亦中有一蜂，形色如生者”、“此或蜂为松脂所粘，因坠沦没尔”。这对琥珀的形成已经说得很清楚了。唐代诗人韦应物有相同认识，他还在《咏琥珀》一诗中写道：“曾为老茯神，本是寒松液，蚊蚋落其中，千年犹可觌。”《新增格古要论》说：“琥珀出南蕃、西藩，乃枫木之精液，多年化为琥珀……”
对于植物化石，《新唐书》记有唐干河的木化石，杜光廷《录异记》记有婺州的松化石，767年华宏还画有松化石的壁画。沈括《梦溪笔谈》和邵博《邵氏闻见录》先后记有延州地下得“竹化石”，实际上是似竹的新芦木。《梦溪笔谈》还记有泽州（今山西晋城）“蜿蜒如蚊状”、“鳞甲皆如生物”的化石，可能是石炭、二叠纪的鳞木化石。杜绾在《云林石谱》记有镇龙骨江、黄山、商州、益州等处的“石笋”，实际是硅化木。
哺乳类化石，我国古代很早作为药用，一般称为龙骨。《山海经·中山经》记有：“……又东二十里曰金星之山，多天婴，其状如龙骨。”这是哺乳类化石的最早记录。《史记·河渠志》记汉武帝时曾在陕西澄城“穿渠得龙骨，故名曰龙首渠”。以后历代在山西闻喜、川谷、太原、晋城，陕西邠县，湖北汉口，四川中江，河南登封，河北宣化、赤城、怀来、安国、辽宁朝阳、凌源等地先后都有哺乳类化石“龙骨”发现，但对它的形成缺乏正确的说明。
综上所述，我国古代对化石的记载十分丰富。从先秦到明清，代有发现，产地遍及南北各地，记述也比较精确。特别是对化石的形成原因，很早就有正确的认识。陶弘景、沈括和杜绾的论说都具有很高的科学价值。依同时代相比，西方从5世纪起，神造万物、一成不变的思想统治了整个生物科学，直到1669年丹麦科学家史坦诺才发表了他对化石起源的正确理论。而我国陶弘景比他早了1100多年，沈括和杜绾比他早了500多年。可惜的是我国古代对化石一般只作玩赏和药用，没有使之在生产和科学研究上发挥作用。