Paläontologen und Paläontologinnen erforschen die Entwicklungsgeschichte von Organismen, Pflanzen und Tieren im Erdfrühzeitalter, d. h. vor Auftreten des Homo Sapiens bzw. des Menschen. Zu diesem Zweck planen und organisieren sie Feldforschungs- und Ausgrabungsprojekte in denen sie nach Knochen- und Skelettteilen, versteinerten Überresten und Spuren ausgestorbener Organismen (Fossilien) suchen. Vor Beginn der Ausgrabungen führen sie Probebohrungen in unterschiedlichen Gesteinsschichten durch und untersuchen und vermessen das Gelände mit Radar-, Ultraschall- und Infrarotgeräten und lassen Aufnahmen von Satellitenkameras anfertigen.
Wenn sie auf Fundstücke (z. B. Dinosaurierknochen, versteinerte Muscheln und Pflanzen) stoßen, müssen sie mit äußerster Vorsicht und fachlicher Präzision vorgehen, um die seltenen Objekte bei der Bergung nicht zu zerstören. Anschließend führen sie in Labors verschiedene Untersuchungen und Analysen durch und versuchen das Alter der Fundstücke zu datieren. Dabei kommen verschiedene Methoden und Verfahren der Altersbestimmung, z. B. die Radiokohlenstoffdatierung (diese beruht auf dem radioaktiven Zerfall von Kohlenstoff) zum Einsatz. Anhand der gefundenen Knochen und Skelettteile versuchen sie weiters zu rekonstruieren, um welches Lebewesen es sich gehandelt hat. Schließlich sorgen sie für die sachgerechte Konservierung, Archivierung oder Ausstellung der Objekte.
Paläontologen und Paläontologinnen kommen auch bei der Erkundung von Kohle- und Erdöllagerstätten zum Einsatz. In diesem Zusammenhang führen sie Tiefenbohrungen durch und analysieren die zu Tage geförderten Gesteinsproben. Weiters studieren sie frühzeitliche (prähistorische) Umwelt- und Klimaveränderungen und ihre Auswirkungen auf die damalige Pflanzen- und Tierwelt. Vor allem versuchen sie das Aussterben verschiedener Tierarten, wie z. B. von Dinosauriern und prähistorischen Fisch- und Vogelarten zu erklären. Die Ergebnisse ihrer Forschungen publizieren sie in Form von Fachartikeln, Studien und Fachbüchern.
