Paläontologie ist die Wissenschaft von den urgeschichtlichen Lebewesen. Ihr Ziel ist die Erforschung des Lebens im Verlauf der Erdgeschichte. Die von der Paläontologie untersuchten historischen Quellen sind die Fossilien, versteinerte Reste und Spuren früherer Organismen, die in Sedimentgesteinen überliefert sein können. Wegen der organischen Herkunft ihrer Forschungsobjekte ist die Paläontologie ein Teilgebiet der Biologie, deren Fragestellungen und Untersuchungsmethoden sie übernimmt. Zudem weist sie enge Beziehungen zur Geologie auf. Die Paläontologie beschreibt die Fossilien, benennt sie, rekonstruiert die entsprechenden Lebewesen, ordnet diese systematisch, erforscht deren Verwandtschaftsverhältnisse und deren Lebensweise sowie deren zeitliche und einstige geografische Verbreitung. Daraus ergeben sich Beweise für die Stammesentwicklung (Phylogenie) sowie Hinweise auf das Werden und den Wandel früherer Lebensgemeinschaften und deren Lebensräume. Aufgrund der phylogenetischen Entwicklung der Organismen besitzt jedes Erdzeitalter seine charakteristische Tier- und Pflanzenwelt. Mit Hilfe der Fossilien, speziell der sogenannten Leitfossilien, konnte deshalb für die Erdgeschichte eine relative Chronologie aufgestellt werden.
Schon 1451 deutete der Zürcher Felix Hemmerli Fossilien als Reste ehemaliger Lebewesen. Ohne die wahre Natur von Fossilien zu kennen, war der Zürcher Universalgelehrte Konrad Gessner weltweit einer der Ersten, der Versteinerungen sammelte und 1565 sorgfältige Abbildungen von ihnen publizierte. Der Zürcher Arzt und Universalgelehrte Johann Jakob Scheuchzer (1672-1733) sah in vielen Fossilien seiner umfangreichen Sammlung Zeugen der Sintflut und verhalf der Erkenntnis, dass Fossilien Überreste früherer Lebewesen sind, zum Durchbruch. Den Rang einer eigenständigen wissenschaftlichen Disziplin erhielt die Paläontologie erst Ende des 18. Jahrhunderts durch den französischen Zoologen Georges Cuvier. Er erbrachte 1796 durch vergleichend-anatomische Untersuchungen an Knochen den wissenschaftlichen Nachweis, dass es neben den heute lebenden Tier- und Pflanzenarten auch fossile, nicht mehr existierende Arten gibt. Während langer Zeit war die Paläontologie eine wenig bekannte Wissenschaft, doch mit dem auch in der Schweiz seit etwa 1970 zunehmenden Interesse an Dinosauriern und dank neuer Museen (Aathal, Frick, Meride) wird sie heute in breiten Bevölkerungskreisen wahrgenommen. Die Schweiz ist aber aus geologischen Gründen kein klassisches «Dinosaurierland» und die Forschungsschwerpunkte der Schweizer Paläontologie liegen in anderen Gebieten. Die Wirbeltierpaläontologen der Basler Schule (Hans Georg Stehlin, 1870-1941) befassten sich vor allem mit Säugetieren der tertiären Ablagerungen der Schweiz und die der Zürcher Schule (Emil Kuhn-Schnyder) mit Meeressauriern und -fischen aus den Ablagerungen der Trias, besonders jenen vom Monte San Giorgio. Nebst der Wirbeltierpaläontologie haben Schweizer Forscher auch auf dem Gebiet der fossilen Wirbellosen, der Biostratigrafie und der Mikropaläontologie bleibende Verdienste erworben. Die Mikropaläontologen waren zu einem guten Teil weltweit in der Erdölexploration tätig. Herausragende Schweizer Forscher und Lehrer auf dem Gebiet der Paläontologie des 19. und 20. Jahrhunderts waren Louis Agassiz, Ludwig Rütimeyer, Oswald Heer und Bernhard Peyer.
Die Schweiz verfügt über zahlreiche, wissenschaftlich wichtige und ergiebige Vorkommen von Fossilien. Der Monte San Giorgio im Tessin wurde 2003 wegen des überaus reichen Vorkommens von Meeressauriern und -fischen in der mittleren Trias in die Liste des Unesco-Welterbes aufgenommen. Weltbekannt sind auch das Plateosaurusvorkommen bei Frick, die Spuren riesiger Dinosaurier in Gesteinen des Juragebirges sowie die Fische, Vögel und Schildkröten aus den alttertiären Glarner Schiefern.