Богатство палеонтологических объектов и направлений исследований способствует выделению большого числа разделов палеонтологии. Если исходить из систематики органического мира, то в ней можно выделить два крупных раздела: палеозоологию и палеоботанику. Палеозоологи занимаются изучением ископаемых животных, палеоботаники – всего остального ископаемого органического мира. Поскольку и среди животных и среди растений существовали очень мелкие организмы, которые можно изучать только под микроскопом, то можно говорить о микропалеонтологии, как палеонтологическом разделе.

   Несмотря на большое количество групп животного царства, палеозоологию принято, прежде всего, делить на палеозоологию беспозвоночных и палеозоологию позвоночных.

   Беспозвоночные с момента возникновения стратиграфии были основными объектами для определения геологического возраста. Этому способствовали массовость и простота сбора их остатков. В последние десятилетия, в связи с интенсивными поисками нефти на глубинах в несколько километров, очень популярным стало изучение под микроскопом очень мелких организмов (микропалеонтология). Их размеры позволяют получать массовый материал даже из кернов скважин, что невозможно для макроскопических объектов. Между тем, беспозвоночных можно изучать и во всех остальных аспектах.

   Позвоночные считаются наиболее сложными по своему строению объектами, в связи с чем один из палеонтологов назвал их изучение «высшим пилотажем в палеонтологии». Эта сложность обусловила их исключительную важность для изучения закономерностей эволюции. Поэтому палеозоология позвоночных считается более биологическим разделом, чем палеозоология беспозвоночных. Хотя находки позвоночных в целом более редки, чем беспозвоночных, имеются случаи, когда они играют более существенную роль и в стратиграфии. Прежде всего, это касается континентальных, особенно четвертичных, отложений. Скорость эволюции зубной системы мелких млекопитающих вывела эту группу в лидеры по дробности стратиграфических датировок. В поздние этапы истории Земли появляются и существуют современные виды. Изучение их ископаемых остатков вносит существенный вклад в разработку проблем становления современной фауны и эволюции современных видов.

   Изучение ископаемого органического мира невозможно без сопоставления с современным. «Палеонтолог отличается от неонтолога тем, что кроме современного органического мира ему приходится изучать еще и ископаемый». Это особенно актуально для палеонтологов-четвертичников. Поэтому неудивительно, что палеонтологи пишут работы, например, по остеологии современных видов.