古生物学的重要分支学科，专门研究地质时期的各类脊椎动物，包括它们的形态、分类、生活习性、分布与起源及进化、发展历史等。从研究方法，特别是从科学发展的历史来看，它是“
比较解剖学”的孪生姊妹。法国动物学家居维叶，G.应用与现代动物比较的方法，研究巴黎盆地的古代脊椎
动物化石，发表了4大卷“骨化石研究”（1812），并提出了“
器官相关律”（动物体各组成部分间的形态与机能上相互联系与一致），为古脊椎动物学的研究开辟了新的方向，开创了比较解剖学及古脊椎动物学的研究，并推动了它们的发展。
在生物界中，脊椎动物仅是30余个动物门类中的一个亚门。但是，它无疑是最重要的一个动物类群。脊椎动物中，不仅包括一些大门类的绝灭生物（纲或目级），如盾皮纲、棘鱼纲、头甲鱼类、恐龙类等，还包括许多最重要的动物，如其中的哺乳纲，就包含人类自身及作为其“近亲、远祖”的各种灵长类。
地球的历史，现知约为50亿年，较高等的后生动物的出现约在6亿年前的寒武纪，而最早的脊椎动物骨化石也已发现，几乎与多数
无脊椎动物同时出现，从约3.5亿年前后的泥盆纪开始，出现了最早的陆生四足动物，在此后地球上陆生生物的历史中，脊椎动物一直占据着主导的地位。从达尔文的物种起源与进化论学说提出以后，古脊椎动物学研究有了很大发展。从50年代起，一直在现代生物进化理论研究中起着重要作用，是进化生物学的一个重要组成部分。
从70年代开始，随着分子生物学和地质学上“板块学说”的出现与发展，古脊椎动物学也起了相应的变化，产生了许多新的方向与课题，例如关于氨基酸等的研究及古生物化学，在系统学方面关于分支（或支序）系统学的论争，并提出了进化方式的“间断平衡”理论、动物地理方面的替代分化等学说或新的模式与方法。
现今的古脊椎动物学的研究中，常按不同的形态和解剖、生理等特征，将脊椎动物亚门分为2超纲9纲，其中的鱼形超纲包括无颌纲、盾皮纲、棘鱼纲、软骨鱼纲、硬骨鱼纲；四足超纲包括两栖纲、爬行纲、鸟纲、哺乳纲。鱼形动物中各纲的划分至今意见分歧。四足动物各纲的划分，意见较一致。近段时间有人主张将鸟与恐龙组建成一个新纲。更有人根据翼龙化石上可能有毛被的新发现，主张再建一新纲。至于新的目及科就更经常被发现。产生上述情况的原因在于新的化石材料的不断被发现，因而不同于脊椎动物学家以现生脊椎动物为基准而建立起来的分类系统，同时在古脊椎动物学的研究中还增加了纲和目、科之间的多层过渡分类阶元，如超纲、超目、超科、亚纲、亚目、亚科以及次（亚）纲等。
古脊椎动物学研究的主要对象是动物骨骼化石。中国大陆的主要轮廓从2亿多年前的二迭纪时已基本上形成并保持稳定，因此，中国是世界上保存陆生及淡水脊椎动物化石特别丰富的少数国家之一。自英国R.欧文在1870年第1次发表“四川采集的古哺乳类化石的描记”以来，中国即成为世界上古脊椎动物学研究的重要中心。70年代以来，更取得了显著的进展，如发表了大量的泥盆纪鱼类化石的研究成果，并依此提出了陆生脊椎动物起源的新假说；早中生代大量兽形爬行类的发现为大陆漂移历史及哺乳类起源提供了许多重要的数据；西南（云南、四川）及北方（新疆、内蒙古等）大量恐龙化石的发现，使中国成为世界上恐龙研究最活跃的地区；此外，还以脊椎动物化石为依据建立了亚洲大陆上最完整的第三系剖面等。