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La paleobiologia è una disciplina relativamente nuova e in crescita che unisce i metodi e le scoperte di una scienza naturale, la biologia con i metodi e le scoperte di una scienza della terra, la paleontologia. È talora associata alla "geobiologia".
La ricerca paleobiologica utilizza la ricerca sul campo della biologia dei biota contemporanei e dei fossili antichi di milioni di anni per trovare risposta a domande riguardanti l'evoluzione molecolare e la storia evolutiva della vita. In questa ricerca scientifica sono analizzati tipicamente macrofossili, microfossili e tracce fossili. In ogni caso l'analisi biochimica, in corso nel ventunesimo secolo, di campioni di DNA e di RNA appare molto promettente, come pure la ricostruzione dell'albero filogenetico.
Un ricercatore che opera in questo campo è noto come un paleobiologo.