古生物學的重要分支學科，專門研究地質時期的各類脊椎動物，包括它們的形態、分類、生活習性、分佈與起源及進化、發展歷史等。從研究方法，特別是從科學發展的歷史來看，它是“比較解剖學”的孿生姊妹。法國動物學傢G.居維葉應用與現代動物比較的方法，研究巴黎盆地的古代脊椎動物化石，發表瞭4大卷“骨化石研究”(1812)，並提出瞭“器官相關律”（動物體各組成部分間的形態與機能上相互聯繫與一致），為古脊椎動物學的研究開闢瞭新的方向，開創瞭比較解剖學及古脊椎動物學的研究，並推推動瞭它們的發展。
在生物界中，脊椎動物僅是30餘個動物門類中的一個亞門。但是，它無疑是最重要的一個動物類群。脊椎動物中，不僅包括一些大門類的絕滅生物（綱或目級），如盾皮綱、棘魚綱、頭甲魚類、恐龍類等，還包括許多最重要的動物，如其中的哺乳綱，就包含人類自身及作為其“近親、遠祖”的各種靈長類。
地球的歷史，現知約為50億年，較高等的後生動物的出現約在6億年前的寒武紀，而最早的脊椎動物骨化石也已發現，幾乎與多數無脊椎動物同時出現，從約3.5億年前後的泥盆紀開始，出現瞭最早的陸生四足動物，在此後地球上陸生生物的歷史中，脊椎動物一直占據著主導的地位。從達爾文的物種起源與進化論學說提出以後，古脊椎動物學研究有瞭很大發展。從50年代起，一直在現代生物進化理論研究中起著重要作用，是進化生物學的一個重要組成部分。
從70年代開始，隨著分子生物學和地質學上“板塊學說”的出現與發展，古脊椎動物學也起瞭相應的變化，產生瞭許多新的方向與課題，例如關於氨基酸等的研究及古生物化學，在系統學方面關於分支（或支序）系統學的論爭，並提出瞭進化方式的“間斷平衡”理論、動物地理方面的替代分化等學說或新的模式與方法。
目前的古脊椎動物學的研究中，常按不同的形態和解剖、生理等特征，將脊椎動物亞門分為2超綱9綱，其中的魚形超綱包括無頜綱、盾皮綱、棘魚綱、軟骨魚綱、硬骨魚綱；四足超綱包括兩棲綱、爬行綱、鳥綱、哺乳綱。魚形動物中各綱的劃分至今意見分歧。四足動物各綱的劃分，意見較一致。近年有人主張將鳥與恐龍組建成一個新綱。更有人根據翼龍化石上可能有毛被的新發現，主張再建一新綱。至於新的目及科就更經常被發現。產生上述情況的原因在於新的化石材料的不斷被發現，因而不同於脊椎動物學傢以現生脊椎動物為基準而建立起來的分類系統，同時在古脊椎動物學的研究中還增加瞭綱和目、科之間的多層過渡分類階元，如超綱、超目、超科、亞綱、亞目、亞科以及次（亞）綱等。
古脊椎動物學研究的主要對象是動物骨骼化石。中國大陸的主要輪廓從2億多年前的二疊紀時已基本上形成並保持穩定，因此，中國是世界上保存陸生及淡水脊椎動物化石特別豐富的少數國傢之一。自英國R.歐文在1870年第1次發表“四川采集的古哺乳類化石的描記”以來，中國即成為世界上古脊椎動物學研究的重要中心。70年代以來，更取得瞭顯著的進展，如發表瞭大量的泥盆紀魚類化石的研究成果，並依此提出瞭陸生脊椎動物起源的新假說；早中生代大量獸形爬行類的發現為大陸漂移歷史及哺乳類起源提供瞭許多重要的數據；西南(雲南、四川) 及北方（新疆、內蒙古等）大量恐龍化石的發現，使中國成為世界上恐龍研究最活躍的地區；此外，還以脊椎動物化石為依據建立瞭亞洲大陸上最完整的第三系剖面等。
在靈長類及人類化石方面，中國也有許多獨具特色的、重要的新發現。