Trong cổ sinh vật học, đối tượng nghiên cứu của nó là các hóa thạch. Từ thời xa xưa tới nay, số lượng hóa thạch thu thập được ngày một nhiều. Cũng như đối với các sinh vật hiện đại, để nghiên cứu có hiệu quả các mẫu vật có trong tay, nhà cổ sinh vật học phải sắp xếp, phân loại các di tích sinh vật hóa thạch. Có thể hiểu, nhiệm vụ chính của phân loại học là tập hợp các cá thể thành các nhóm, từ thấp đến cao, các cấp phân loại càng lớn càng có những đặc tính khái quát hơn.

Phân loại học từ lâu đã trở thành một chuyên ngành của sinh học. Công việc của nhà phân loại học là sắp xếp các sinh vật vào các cấp bậc phân loại dựa vào những đặc điểm hình thái, cấu trúc, sinh lý, di truyền, sinh thái học và tiến hóa.

Trong sinh học và cổ sinh vật học có hai kiểu phân loại được áp dụng phổ biến là phân loại nhân tạo và phân loại tự nhiên

Phân loại nhân tạo

Là kiểu phân loại sinh vật dựa trên cơ sở các dấu hiệu được lựa chọn nhằm một mục đích hoặc vì một nguyên nhân nào đó, như để dễ quan sát, như vì dễ tìm thấy. Trong phân loại nhân tạo người ta không chú trọng tới mối quan hệ huyết thống giữa các sinh vật, coi chúng chỉ là những cá thể tách biệt nhau, đứng ngoài quá trình tiến hóa lịch sử của sinh giới. Do các mẫu hóa thạch tìm được thường không hoàn hảo, không cho phép nghiên cứu toàn diện như đối với các sinh vật hiện sống, nên trong cổ sinh vật học thường phải áp dụng hệ thống phân loại nhân tạo.

Người ta phân biệt một số kiểu phân loại nhân tạo sau đây:

• Phân loại nhân tạo thực dụng, áp dụng đối với các di tích sinh vật không hoàn chỉnh nhằm phục vụ mục đích thực tiễn.
• Phân loại nhân tạo do cần thiết phải áp dụng đối với các bộ phận của cơ thể sinh vật bị tách rời hoặc chưa nhận thức được đầy đủ.
• Phân loại nhân tạo tạm thời đối với các phần của sinh vật chưa có cơ sở chắc chắn để gắn chúng với các sinh vật chủ.

Phân loại tự nhiên

Là kiểu phân loại dựa trên cơ sở phát sinh huyết thống, nghĩa là trong kiểu phân loại này người ta chú trọng tới những dấu hiệu phản ánh quá trình tiến hóa của sinh vật. Để làm được điều này cần có những mẫu vật được bảo tồn tốt, cần tích lũy được nhiều tài liệu phản ánh những biến đổi của các dấu hiệu trong quá trình phát triển cá thể của sinh vật. Phân loại tự nhiên chỉ được tiến hành thuận lợi đối với các sinh vật hiện đại, ngoài ra nó cũng được áp dụng có mức độ đố với một số nhóm hóa thạch như Cúc đá, Bọ ba thùy, Ngựa cổ...

• việc phân loại sinh vật là cần thiết và rất phức tạp, đòi hỏi một chuyên ngành riêng là Phân loại học (Systematica hay Taxonomia). Chuyên ngành này không chỉ nhằm mục đích xác định sinh vật hay hóa thạch và mô tả chúng, mà còn cố gắng xác định vị trí của chúng trong hệ thống phân loại tự nhiên, trong dãy tiến hóa chung của sinh giới.