古生物是地史时期的生物，也遵循达尔文进化论的原则。进化论所指明的进化方式──分支进化、阶段进化、辐射适应、趋异进化、趋同进化、平行进化、动态进化等同样适用于古生物。除此以外，古生物进化
有自己的规律和特点。比较重要的规律有：①不可逆律，为比利时古生物学家L.多洛所提出。它指出，无论是生物体或其器官，一经演变再不可能在以后生物界中恢复，一经消失也不可能再在后代或别处重现。例如，鱼类演化为陆生哺乳类后，一部分哺乳类又回到海洋成为鲸类，但鱼的鳍、鳃等都不能在鲸类中恢复，鲸类只能靠肺呼吸并以演变的四肢和尾起鳍的作用。根据不可逆律，在较老地层中已经绝灭的化石物种，在较新的地层中不会再出现，不同时代的地层中必具有不同的化石生物群。把层序律和不可逆律结合起来，就构成利用古生物学方法确定地层时代和划分地层的基本原理。②相关律，为法国古生物学家G.居维叶所提出。它指出，生物体的各部分发展是相互密切联系的，某部分发生变化，也会引起其他部分相应的变化。这是因为对环境的适应必然影响到许多方面。例如哺乳类对肉食适应会引起牙齿的分化(适应于撕咬)、上下颌强化、感觉敏锐、四肢强壮、趾端具爪等一系列相关的变化。根据相关律，应用比较解剖学的知识，可以从通常保存不完整的化石资料复原其整体，并可据以推断其生态习性，以恢复古环境。③重演律，为德国生物学家赫克尔所提出。它指出个体发育是系统发生的简短重演。根据重演律，可以从个体发育追索生物所属群类的系统发生，从而建立系谱，有助于正确分类。例如，将某些单体四射珊瑚从幼年期到成年期顺序切片观察，可看到内部构造初期为单带型，继之为双带型，最后变为三带型。这说明三带型四射珊瑚的系统发生经历了从单带型到双带型到三带型的过程。 研究古生物的地理分布。发展迅速，被广泛应用于古地理和古环境的重建、板块运动历史以至矿产形成分布的探讨。主要研究内容是各时代的古生物地理区系，全世界显生宙各纪的区系已初具轮廓。区系一般分为大区或域 （realm）、区(region)、分区或省(province)，也有进一步分为亚省(subprovince)和地方中心 (endemic center)的。区系的划分根据各家不一，一般大区和区的划分比较注重纬度、温度控制和地理阻隔控制，而较低的区系单位中，生物群落的不同往往起重大作用，因此和古生态学相重叠，瓦伦丁(1973)把古生物地理学视为洲际一级和全球一级的古生态学。
古生物地理学除了研究区系外，还应研究古生物的扩散、分布、迁移、隔离、混合等现象，这方面工作正不断深入。与间断平衡论和分支系统学相结合，兴起了替代分化生物地理学，它认为生物的分布不是由起源中心向外扩散的过程，而是一个祖先类群由于地理隔离分支为两个姐妹类群的过程，分支点在系谱上代表祖先类群，在地理上代表阻隔。其分析方法与分支系统学一样，即寻找某两个地区之间的关系更近于与任何第三地区的关系，从而建立生物类群各分布地区间相互联系的密切程度（历史顺序）。 分子古生物学是20世纪90年代兴起的一个多学科交叉领域，它涉及古生物学、分子进化与分子系统学、地质学、地球化学等科学分支的理论与方法。
分子古生物学研究的内容包括分子古生物研究的基本概念、技术、方法、理论和原理以及国外的主要研究方向和进展，包括分子进化理论、分子数据的处理与分析方法、古DNA、古氨基酸、分子标记物、分子系统学、古生物与现代生物分子数据的综合研究等方面。近代生物学研究的发展及现代技术手段的提高促进了传统古生物研究领域的扩展，并带来了新的发展机遇。分子古生物学研究方向就是将现代生物学新理论和技术方法应用于古生物学研究的过程，如研究古蛋白质分子及其分解产物，确定古氨基酸的排列顺序，同时，也充分反映了当代古生物学研究的特点和目标，从分子水平上探索古生物进化、遗传及化学成分等。对氨基酸外消旋作用的测定已应用于绝对年龄的测定。 研究生物产生无机物晶体及不结晶的有机物、无机物物质以组成骨骼的过程与结果。一方面研究骨骼的矿物成分以及它们的形成机理，另一方面研究骨骼的微细构造（多角柱、交错薄片、珍珠层、均质层等）。其研究结果用于：①古生物的微细构造分类及其演化；②推断古海洋环境因素及其变迁史。

　　
古生物化学、分子古生物学和生物矿物学的研究领域有局部重叠。 探索模拟古代生物的生理结构优点，为现代工艺设计提供有益借鉴。例如根据栉龙类的重叠牙序列已设计出一种二重钻头；鸭嘴龙类交错排列的多排牙齿（达400～500颗）不断替换，可用于研磨、破碎装备的设计等。