Най-убедителни и най-подробни доказателства за еволюцията дава именно палеонтологията, защото тя изучава съществувалите и измрели в предишни геологични времена организми. Труповете на измрелите през различните геологични периоди организми били засипвани от неорганични наслагвания, които образували т.нар. седиментни (утаечни) скали. В тях се запазвали отпечатъци от тялото или оставали включени отделни твърди части (черупки, кости, зъби и др.). Това са т.нар. вкаменелости.
Макар и рядко, се запазвали и цели организми. Например в началото на нашия век в Сибир е намерен цял мамут в замръзнали земни пластове. Намерени са и цели насекоми и други дребни животни, включени в янтарни късове.
В палеонтологичните изслевания се използват две основни групи методи - абсолютни и относителни. Абсолютните методи се основат на анализа на радиоактивното разпадане. Продължителността на ерите и периодите се определя от количеството на продуктите от разпадане на радиоактивните елементи в пробата, съдържаща останките. Това разпадане при различни външни условия се извършва с еднаква скорост. За всеки 100 милиона години от един килограм уран остават 985 грама и се образуват 13 грама олово и 2 грама хелий. Като се изчисли количеството на оловото и хелия в пробата, може да се установи за колко време са се образували, т.е. каква е геологичната възраст на земния пласт, откъдето тя е взета. относителните методи използват предимно така наречените ръководни вкаменелости.
Колкто земните пластове са по-стари, от толкова по-просто устроени организми се намират следи и отпечатъци в тях. В по-младите земни пластове преобладават останки от по-висши и по-сложно устроени организми.
Основноположникът на съвременната палеонтология е френският учен Ж. Кювие, през 19 век открива много факти за това, че през различни периоди от съществуването на Земята едни видове животни изчезвали, а се появявали нови, че в историята на нашата планета имало смяна на флорите и фауните. По такъв начин той доказва, че историческото развитие на организмовия свят е реален процес. При това Кювие уточнява, че животните съществували в по-далечни периоди от развитието на Земята, били по-просто устроени в сравнение с видовете, живели в по-близките периоди.
Ръководни вкаменелости.
Някои вкаменелости са широко разпространени, но се срещат в съвсем тънки земни пластове. Това показва, че организмите, от които са се получили тези вкаменелости били широко разпространели и измрели масово за сравнително кратък геологичен период. За земните пластове от различните геологични периоди тези останки и отпечатъци са различни. Те се наричат ръководни вкаменелости. Такива са например трилобитите за камбрий, амонитите и белемнитите за мезозойска ера, бозайниците за терциер и така нататък.
Други вкаменелости се срещат по-рядко, но в различни по възраст земни пластове. При тях може да се наблюдава усложняване в устройството на организмите през различните геологични времена. Това показва, че през историческото развитие на Земята организмите произлизали едни от други и претърпели дълга и сложна еволюция от по-древни и по-низши към по-съвременни и по-висши форми.
Сборни форми
В някои вкаменелости могат да се открият белзи, които са характерни за днес живеещи организми, принадлежащи към различни систематични групи. Организмите, от които са тези вкаменелости, наричаме сборни форми (междинни звена). Те притежават белези на предходната и на новопоявилата се група. Досега не са намерени много останки от такива форми, но но малкото открити вкаменелости дават ясна представа за произхода на едни организми от други. Типична сборна форма е първоптицата археоптерикс, появила се през юра. Тя доказва, че птиците са произлезли от влечугите. Повечето от белезите ѝ са характерни за влечугите: на челюстите има зъби, броят на прешлените в опашната част е както при влечугите, прешлените са подвижно свързани, на крилата си има по три дълги подвижни пръста за залавяне по дърветата. На птиците прилича по това, че предните ѝ крайници са видоизменени в крила, устата е изтеглена и завършва с рогов ключ, а тялото е покрито се пера. Изучавани са и други сборни форми. Такива са например лабиринтодонтите (форма на земноводни и влечуги), зверозъбите гущери (форма между влечуги и бозайници), семенните папрати (форма между папратовидни и голосеменни растения) и други.
Фологенетични редове
Особен вид палеонтологични находки, т.нар. филогенетични редове. Това са останки от различни видове, живели последователно и произлизащи един от друг. Намерени са останки от филогенетичните редове на коня и на слона. Те показват как прадедните форми постепенно се променили и усложнявали, за да дадат началото на днешните редове.
В началото на терциер например цивял най-старият предед на днешния клон - еухипосът. Той бил дребно горско животно, хранещо се с мека растеителност. Имал 4 пръста на предните и 3 на задните крайници. От него произлязъл по-късен вид - мерихипосът. Той имал силно закърнял четвърти пръст на предните крайници. От него произлязъл мезохипосът, при който предният пръст на крайниците бил значително по-добре развит от останалите два. Тялото му било едро, а дъвкателната повърхност на зъбите - по-голяма. Това показва, че обитава открити пространства (степи и савани) и използвал по-груба храна. От него произлязъл прекият прадед на съвременния кон - плихипосът. Той бил едър колкото магаре, на крайниците си имал вече само по един силно развит пръст (копито). От плихупуса произлязъл съвременният див кон.
Като се сравняват последователните видове във филогенетичния ред на коня, се виждат основните тенденции в еволюцията на съвременния кон - редуциране на броя на пръстите и силноразрастване само на един от тях до превръщането му в копито; увеличаване на дъвкателната повърхност на зъбите; увеличаване на размерите на тялото.
Добре изучен е филогенетичният ред на слона. Палеонтологията разполага с голямо количество данни, които ясно доказват еволюцията на живата природа и основната особеност на този процес - необратимостта му. Изчезналите пръсти на крайниците на коня никога няма да се появят отново. Веднъж отпаднали като дихателен орган, хрилете не се появяват нито при водните влечуги, нито при водните бозайници (китове и делфини).