古生物學的一個分支學科，它根據化石的垂向分佈，研究生物進化發展的規律。它區別於“描述古生物學”，接近“理論古生物學”。它與生物地層學是互相滲透、互相交叉的姐妹學科。以往這兩學科常混為一談，例如，1909年比利時古生物學傢L.多洛在《生態古生物學》一書中建議區分純古生物學和實用地層古生物學，並稱後者為生物地層學。此後，不少學者如Л.Ш.達維塔什維利等把這兩個術語視為同義語，也即沿用多洛的建議。1948年R.C.莫爾把研究生物發展歷史的古生物學稱為地層古生物學學。1955年E.尼韋爾森發表的專著《地層古生物學》，按地質時代論述生物的發展和地理分佈。但其內容仍然以“實用”為主，多半是生物地層問題。自尼韋爾森以來，探討生物發展規律的理論論文與日俱增，因此認為有必要把地層古生物學與生物地層學明確區分，前者屬於古生物學范疇，後者是地層學的一部分。
C.R.達爾文在《物種起源》和C.萊爾在《地質學原理》等名著中闡述的有機界的變遷、進化方式、絕滅機制及地質記錄不完全等問題，是地層古生物學的重要內容。
古生物學已經積累瞭極其豐富的進化證據，地層古生物學著重闡述生物進化中的重要事件，生物在進化上的突破和集群絕滅與地質歷史的關系。
進化方式的研究是地層古生物學的重要課題之一。按照達爾文的理論，在地層中生物的“無數過渡的類型一定曾經存在過”，因此他提出的進化模式是“同一綱中一切生物的親緣關系常常用一株小樹來表示”。達爾文的這個理論近代被稱之為譜系漸變論。達爾文當時曾指出他的學說中的一個難點：“如果物種是從其他物種一點點地逐漸變成的，那末，為什麼我們沒有看到無數的過渡類型呢？”“雖然它們必定曾經在那裡存在過，並且可能以化石狀態在那裡埋存著”。他解釋主要原因是“地質記錄的不完整”。近年來，N.埃爾德雷奇及古爾德等學者提出異議，他們以間斷平衡論來描繪物種進化的過程，認為物種是間斷式的躍進，缺乏過渡類型是客觀事實。P.C.西爾維斯特-佈拉德利(1977)根據古生物資料，綜合前兩種觀點提出第三種進化的模式，他稱之為網式物種形成。這個模式的主要過程是祖先物種在爆發式擴展到各地理區後，由於受不同的地理條件的影響而分化，形成不同的變異類型；又由於邊緣地區的雜交而成為多型種，經過多次分化，各變異類型在隔離的條件下最後形成許多新種。
地層古生物學傢還重視各類生物在地史上的演化趨向和發展階段。
化石類群的絕滅，在地史上最大最明顯的有兩次，一次是二疊紀末期，另一次是白堊紀末期。關於集群絕滅的原因有許多假說。少數科學傢試圖從宇宙發展尋找原因，大多數地層古生物學傢相信地質歷史發展是集群絕滅的直接或間接原因。達爾文論斷“稀少是絕滅的預告”，為大量化石資料所證實。
隨著古生物學及生物學理論的深入和新技術、新方法，包括計算機技術的不斷進展，古生物化石的新發現，地層古生物學也會隨之得到發展。而古生物地理學和古氣候學的發展也需要地層古生物學提供的資料。