प्राचीन काळातील म्हणजे होलोसीन कालखंडाच्या सुरुवातीपर्यंत (सु. ११,७०० वर्षांपूर्वी) अस्तित्वात असलेले प्राणी, वनस्पती आणि अन्य सजीवांचा अभ्यास ज्या शाखेत केला जातो, त्या शाखेला पुराजीवविज्ञान म्हणतात. या शाखेत पृथ्वीवर जीवन कसे होते, सजीवांची उत्क्रांती कशी घडून आली, सजीवांमधील आंतरक्रिया कशी घडते आणि सजीवांची पर्यावरणाशी आंतरक्रिया कशा असतात इत्यादींसंबंधी माहिती मिळविण्यासाठी जीवाश्मांचा अभ्यास केला जातो. जीवाश्मांचा अभ्यास करून पृथ्वीच्या इतिहासाच्या निरनिराळ्या कालखंडांत होऊन गेलेले प्राणी-वनस्पती, त्यांचे आकार, वर्गीकरण, जीवनपद्धती, विकास, स्थानांतरण, त्यांचा तत्कालीन अधिवास इत्यादींचा अभ्यास पुराजीवविज्ञान या शाखेत केला जातो.
पुराजीवविज्ञान हे जीवशास्त्र आणि भूगर्भविज्ञान या दोन्हींच्या पायावर उभे राहिलेले आहे. मात्र ते पुरातत्त्वविद्येपेक्षा वेगळे आहे. पुराजीवविज्ञानात शरीरशास्त्र दृष्ट्या आधुनिक अशा मानवाचा अभ्यास अभिप्रेत नसतो. जीवरसायनशास्त्र, गणित, अभियांत्रिकी अशा अनेक वैज्ञानिक क्षेत्रांतील तंत्रे या ज्ञानशाखेत वापरली जातात. अगदी ३८० कोटी वर्षांपूर्वी पृथ्वीवर सजीव अवतरल्यापासूनचा सजीवांच्या उत्क्रांतीचा इतिहास उलगडण्यासाठी याच तंत्राचा उपयोग झाला आहे.
पुराजीवविज्ञानाच्या अभ्यासात झॉर्झ क्यूव्ह्ये (१७६९-१८३२) यांनी मोलाचे काम केले. अठराव्या शतकात त्यांनी केलेल्या संशोधनातून पुराजीवविज्ञान प्रस्थापित झाले. त्यांनी जीवाश्मांच्या अभ्यासासाठी आधुनिक प्राण्यांच्या अभ्यासाची पद्धत वापरली. जीवाश्मांचे पुष्कळ नमुने आणि सजीवांच्या शरीराची तुलना करून त्यांनी अनेक प्राण्यांचे जुळविलेले सांगाडे तयार केले आणि त्यायोगे अशा प्राण्यांचे प्राणिसृष्टीतील योग्य स्थान ठरविण्याचा प्रयत्न केला. त्यांच्या कार्यावरून काही प्राणी पृथ्वीवरून नष्ट झाल्याचे लक्षात आले. म्हणून क्यूव्ह्ये यांना पुराजीवविज्ञान आणि तौलनिक शरीरशास्त्र या शाखांचे संस्थापक मानतात.
निसर्गात जीवाश्म अनेक प्रकारे तयार होतात (पहा: जीवाश्म). मृत शरीर मातीत गाडले गेल्यानंतर त्यातील मृदू भाग कुजून कालांतराने नष्ट होतो. काही वेळा दात, हाडे, शिंपले व खवले असे कठीण भाग टिकून राहतात आणि मृदू भागांची जागा खनिज पदार्थ घेतात. काही वेळा गाडले गेलेल्या शरीराचा ते कुजून जाण्यापूर्वी ठसा किंवा साचा गाळाच्या खडकात उमटतो. काही वेळा अशा संपूर्ण शरीराचे दगडासारख्या कठीण पदार्थात रूपांतर होते. काही वेळा पर्यावरणीय परिस्थितीमुळे काही सजीवांची शरीरे कुजून न जाता जशीच्या तशी परिरक्षित राहतात.
शरीराचे जीवाश्म आणि लेश जीवाश्म हे प्राचीन जीवनासंबंधीचे आणि सजीवांच्या उत्क्रांतीविषयीचे महत्त्वाचे पुरावे मानतात. ज्यांच्या शरीरापासून जीवाश्म तयार होऊ शकतील इतके मोठ्या आकारमानाचे सजीव निर्माण होण्यापूर्वी सजीवांच्या उत्क्रांतीविषयी माहिती खडकांच्या भूरासायनिक निरीक्षणाद्वारे मिळते. जीवाश्मांच्या अभ्यासात त्यांच्या कालावधीचा अंदाज करणे आवश्यक असते. यासाठी जीवाश्म ज्या खडकात सापडलेले असतात त्या खडकांचे वय प्रारणमितीय (किरणोत्सार) कालनिर्धारण पद्धतीने मोजतात. या पद्धतीत कार्बन, पोटॅशियम, युरेनियम अशा मूलद्रव्यांच्या किरणोत्सारी समस्थानिकांचा उपयोग केला जातो.
पुराजीवविज्ञानाचा अभ्यास करताना काही अडचणी उद्‌भवू शकतात. जसे, प्राचीन सजीवांचे वर्गीकरण करणे अनेकदा सोपे नसते. कारण अनेक सजीवांची शरीररचना लिनीअस वर्गीकरणाशी जुळतेच असे नाही. मात्र विसाव्या शतकाच्या अखेरीस रेणवीय जीवविज्ञान शाखेत झालेल्या प्रगतीमुळे सजीवांच्या जीनोममधील डीएनए रेणूंच्या सारखेपणानुसार सजीव एकमेकांना किती जवळचे होते, याचा अंदाज बांधता येऊ लागला आहे. मागील ४० वर्षांत वैज्ञानिकांना हे माहीत झाले आहे की, लाखो वर्षांमध्ये डीएनएमध्ये होणारी उत्परिवर्तने ठराविक काळाने होतात. उदा., अल्फा ग्लोबिन या हीमोग्लोबिन प्रथिन साखळीत १०० कोटी वर्षांत ०∙५६ बेस जोड्यांचा बदल होतो. ही संख्या प्रथिनातील बेस जोड्यांमध्ये बदल घडून आल्याचे दाखविते. या बदलाच्या संख्येवरून, जे सजीव पूर्वी एकसारखे होते पण आधुनिक काळात भिन्न आहेत, अशा सजीवांमध्ये किती वर्षांपूर्वी बदल घडून आला आहे, याचा अंदाज करता येतो. समजा, दोन जातींमध्ये डीएनएच्या एका तुकड्यात चार बेस वेगळे आहेत आणि हा संपूर्ण तुकडा दर २५ लाख वर्षांनी एक बेस या दराने बदलतो. चार बेस वेगळे असण्यासाठी दोनदा बेस बदल घडले असावेत. म्हणजे या दोन जाती त्यांच्या सामाईक पूर्वजांपासून पन्नास लाख वर्षांपूर्वी वेगळ्या झाल्या असाव्यात, अशी रेणवीय घड्याळ पद्धत वापरून आधुनिक मानव व चिंपँझी यांतील बदल केव्हा घडला आहे, याचाही अंदाज केला गेला आहे.
जीवाश्मांचा अभ्यास, खडकांचा अभ्यास, सजीवांचा तुलनात्मक अभ्यास व रेणवीय बदलाचा अभ्यास ही पुराजीवविज्ञानाची साधने आहेत. पुराजीवविज्ञानामध्ये पुराप्राणिविज्ञान (पूर्वीच्या काळातील प्राण्यांसंबंधीचे विज्ञान), पुरावनस्पतिविज्ञान (पूर्वीच्या काळातील वनस्पतींसंबंधीचे विज्ञान), पुरासूक्ष्मजीवविज्ञान (पूर्वीच्या काळातील सूक्ष्मजीवांसंबंधीचे विज्ञान), पुरापरिस्थितिविज्ञान (पूर्वीच्या काळातील जीव, त्यांच्यातील संबंध, त्यांचा अधिवास इत्यादींसंबंधीचे विज्ञान) इत्यादी शाखा आहेत.
