古生物學的分支學科。研究物件為動物界除脊椎動物以外的其他所有門類動物所形成的生物化石。已知最古老的動物化石是距今約6.5億～7.5億年的伊迪卡拉動物群，它是以該動物群的產地——澳大利亞伊迪卡拉山命名的，由大量軟軀體無脊椎動物許多屬種組成。無脊椎動物硬體的礦化化石出現在距今6億年左右。地球歷史的兩大階段：隱生宙和顯生宙也是以無脊椎動物化石的出現來標識的。
顯生宙以來的化石記錄，無論是生物豐度還是生物多樣性都是以無脊椎動物化化石居首位。盡管無脊椎動物各門類之間的生物構造差異很大，但總體上看來，它們反映出由低級到高級、由簡單到復雜的這樣一個演化過程。依據動物化石的層序及由此而產生相對地質時代的概念，可以從地質記錄中識別出一系列地質單位——系。基於古生物資料建立的相對地質年代和基於放射性測年建立的絕對地質年代共同構成地質歷史的年代格架。
顯生宙按已知的化石資料和古生物地層學的研究劃分出古生代、中生代和新生代三大階段。人們還特別註意到，生物在長達6億年左右的發展歷史中不斷的伴隨有多次大大小小的生物滅絕的災難，幾乎每隔26百萬～30百萬年就有一次大規模的生物絕滅事件。最為人熟知的就是古生代末期和中生代末期的生物絕滅。每次生物大滅絕也都預示著新階段的開始。今天所看到的無脊椎動物世界是地球上的生物數億年來不斷經歷發生、滅絕、復蘇的發展結果，但大約在侏羅紀，無脊椎動物世界已開始大體呈現出和現今類似的面貌。
無脊椎動物化石是瞭解地球生命發展史重要的最直接的證據，但由於化石保存的復雜條件和化石被發現的偶然性，相對於全面瞭解地球生命史來說，所能獲得的化石資料是很少的。如現代動物中昆蟲占其總數3/4，約有85萬個物種。而所知道的所有不同地史階段的昆蟲化石總數卻隻有約12 000個種。此外，各種生物由於其生物結構和軟、硬體部位的不同而導致形成化石的概率彼此之間差異非常懸殊。這就是化石保存的局限性和不完全性。人們對無脊椎古生物學中許多環節也隻是略知皮毛，認識還非常膚淺，甚至還有大量尚未人知的東西，有待人們采用更加先進的理論去分析，采用更加尖端的技術去發掘和發現。