地层古生物学（stratigraphical paleontology）古生物学的一个分支学科，它根据化石的垂向分布，研究生物进化发展的规律。它区别于“描述古生物学”，接近“理论古生物学”。它与生物地层学是互相渗透、互相交叉的姐妹学科。以往这两学科常混为一谈，例如，1909年比利时古生物学家L·多洛在《生态古生物学》一书中建议区分纯古生物学和实用地层古生物学，并称后者为生物地层学。此后，不少学者如Л．Ш．达维塔什维利等把这两个术语视为同义语，也即沿用多洛的建议。1948年R．C．穆尔把研究生物发展历史的古生物学称为地层古生物学。1955年E．尼韦尔森发表的专著《地层古生物学》，按地质时代论述生物的发展和地理分布。但其内容仍然以“实用”为主，多半是生物地层问题。自尼韦尔森以来，探讨生物发展规律的理论论文与日俱增，因此认为有必要把地层古生物学与生物地层学明确区分，前者属于古生物学范畴。后者是地层学的一部分。
C．R．达尔文在《物种起源》和C．莱尔在《地质学原理》等名著中阐述的有机界的变迁、进化方式、绝灭机制及地质记录不完全等问题，是地层古生物学的重要内容。
古生物学已经积累了极其丰富的进化证据，地层古生物学着重阐述生物进化中的重要事件，生物在进化上的突破和集群绝灭与地质历史的关系。
进化方式的研究是地层古生物学的重要课题之一。按照达尔文的理论，在地层中生物的“无数过渡的类型一定曾经存在过”，因此他提出的进化模式是“同一纲中一切生物的亲缘关系常常用一株小树来表示”。达尔文的这个理论近代被称之为谱系渐变论。达尔文当时曾指出他的学说中的一个难点：“如果物种是从其他物种一点点地逐渐变成的，那末，为什么我们没有看到无数的过渡类型呢？”“虽然它们必定曾经在那里存在过，并且可能以化石状态在那里埋存着。”他解释主要原因是“地质记录的不完整”。近年来，N．埃尔德雷奇及古尔德等学者提出异议，他们以间断平衡论来描绘物种进化的过程，认为物种是间断式的跃进，缺乏过渡类型是客观事实。P．C．西尔维斯特-布拉德利（1977）根据古生物资料，综合前两种观点提出第三种进化的模式，他称之为网式物种形成。这个模式的主要过程是祖先物种在爆发式扩展到各地理区后，由于受不同的地理条件的影响而分化，形成不同的变异类型；又由于边缘地区的杂交而成为多型种，经过多次分化，各变异类型在隔离的条件下最后形成许多新种。
地层古生物学家还重视各类生物在地史上的演化趋向和发展阶段。
化石类群的绝灭，在地史上最大最明显的有两次，一次是二叠纪末期，另一次是白垩纪末期。关于集群绝灭的原因有许多假说。少数科学家试图从宇宙发展寻找原因，大多数地层古生物学家相信地质历史发展是集群绝灭的直接或间接原因。达尔文论断“稀少是绝灭的预告”，为大量化石资料所证实。