古生物學的主要研究對象是化石。化石是保存在地層裏的古代生物的遺體、遺跡和遺物，因此，它是我們了解古代地球上生物及其活動的第一手材料，是證明生物進化的直接證據，在科學研究上有著重要價值。我國古代典籍中記載了許多關於化石的發現和記述，對化石的成因和意義也有許多精到的記述。
化石中發現較早、記載和研究較多的是魚類化石。最早的記錄應是成書於戰國(前475～221)的《山海經》中的《海外西經》，其中有這樣一段話：
“龍魚陵居其北，狀如狸，一曰，即有神聖乘此以行九野。一曰魚，在夭野北，其為魚也如鯉。”
這是鯉科魚化石的最早記載。其後《太平禦覽》引《郡國誌》記：
“湘水邊有木魚山，本名石立山，高八十丈，闊十裏，石色黑而重疊，每發一重，則有自然魚形，女人多刻畫為戲，長數寸，燒之魚膏腥。”
《太平禦覽》又引南朝宋盛弘之(?～469)《荊州記》和《太平寰宇記》也有類似記載。與盛弘之前後的沈懷遠《南越誌》裏記得更準確：
“衡陽湘鄉縣有石魚山，下多玄石。石色黑，而理若雲母，發開一重，輒有魚形，鱗鰭首尾宛然如畫，長數寸，魚形備足，燒之作骨腥，因以名。”
由此可見，我國在公元四、五世紀就已經對魚化石產地的地理位置、化石埋存的層位、化石保存的狀況和形態以及人們對化石的檢驗與利用，作了比較科學的客觀的描述。
北魏酈道元(465或472～527)在《水經·漣水注》中，以水道為綱，對湘鄉縣的魚化石作了和《南越誌》相似的記載。以後的唐·李吉甫(758～814)的《元和郡縣誌》、唐·段成武(?～863)的《酉陽雜俎》也都有相似記載。
宋·杜綰經過實地考察，在《雲林石譜》裏，對魚化石的記載更加詳細：
“潭州湘鄉縣山之顛，有石臥生土中，凡穴地數尺，見青石，即揭去，謂之蓋魚石，自青石之下，色微青或灰白者，重重揭取，兩邊石麵有魚形，類鰍鯽，鱗鬣悉如墨描，穴深二三丈，複見青石，謂之載魚石，石之下，即著沙土，就中選擇數尾相隨遊泳，或石紋斑處全然如藻荇，但百十片中，無一、二可觀，大抵石中魚形，反側無序者頗多，間有兩麵如龍形，作蜿蜒勢，鱗鬣爪甲悉備，尤為奇異，土人多作偽，以生漆點綴成形，但刮取燒之，有魚腥氣，可以辨。”
這裏就魚化石實際保存狀況和由化石可以看到的生活及生境情況，根據實地考察作了細致的描述。同書還記載了另一魚化石產地：
“隴西地名魚龍，掘地取石，破而得之，亦多魚形，與湘西所產不異，豈非古之陂澤，魚生其中。因山頹塞，歲久土凝為石，而致然歟?”
對魚化石形成原因作了科學的分析。
此外，清·沈心房在《怪石錄》記山東萊陽也有魚化石，並作玩賞工藝品用：
“魚石產萊陽大山，色如敗醬，有遊魚久，鱗鬣宛然，間有荇藻影者，琢磨方正，以嵌屏風書幾，堪亞大理點蒼山石。”
徐崑在《遁齋偶筆》中也記有：
“魚石出萊陽，石皆成片，原不及寸，紫黑色，石中隱隱有魚，長數寸，如鯽如鯰，如白條一，頭尾畢具，類多見骨，酷似枯魚，可生動之致。亦間有荇藻葉，掩映逼真。”
從這些記載看，不僅魚化石的種類繁多，而且有綠色水生植物的化石共存，簡直構成了一個生態係統。
無脊椎動物化石，發現較晚。有腕足動物、軟體動物和節肢動物。
最早記錄的是腕足動物石燕，產地都在湖南零陵縣。東晉羅含的《湘中記》載：
“零陵有石燕，形似燕，得雷雨則群飛。”
顧愷之(392～407)的《啟蒙記》、南朝宋甄烈和庚仲雍的《湘州記》也有相似描述。唐·蘇敬撰《新修本草》記述說：
“永州(今零陵縣東北)出石燕，形似蚶而小。”“俗因雷雨，則自石穴中出，隨風飛墜者妄也。”
說明對石燕的腕足類特征有所認識。至於羅含所說的石燕群飛現象，許多人曾加以辨別：如酈道元在《水經·湘水注》中說：“湘水東南流經石燕山東，其山有石蚶如燕，因以名山，其石或大或少，若母子焉。及其風雷相薄，則石燕群飛，頑如真燕矣。羅君章雲，今燕不必複飛也。”宋代寇宗奭也說：“石燕今人用者，如蜆蛤之狀，色如土，堅重則石也。”“既無羽翼，焉能自石穴中飛去。何故隻墮沙灘上，此說近妄。”宋代周去非在《嶺外代答》中說：“廣西象山江濱石中有之，凡石中有嵌生如海蚶者極多。非真石燕也。”