古生物学的分科。从分子水平探索生物演化的型式与速率、古生物系统、古生态、古环境等科学问题的学科。研究对象是化石及其围岩中残存的有机生物分子，通过综合分子生物学、有机地球化学和古生物学的研究手段进行研究。与传统古生物学相比，它更依赖于现代化的实验室分析技术，使古生物研究从宏观（生物形态）深入到微观（分子水平）。对于探讨生命起源、古环境、分子化石埋藏学等具有重要意义。早期文献中的“古生物化学”、“生物有机地球化学”等术语与分子古生物学的含义部分相当。