古生物是地史時期的生物，同樣遵循達爾文進化論的原則。因此進化論所指明的進化方式——分支進化、階段進化、輻射適應、趨異進化、趨同進化、平行進化、動態進化等同樣也適用於古生物。另外，古生物進化也有自己的規律和特點。其中較為重要的規律有：第一，不可逆律，為比利時古生物學家多洛所提出。他指出，無論是生物體或其器官，一經演變再不可能在以後生物界中恢複，一經消失也不可能再在後代或別處重現。例如，魚類演化為陸生哺乳類後，一部分哺乳類又回到海洋成為鯨類，但魚的鰭、鰓等都不能在鯨類中恢複，鯨類隻能靠肺呼吸並以演變的四肢和尾起鰭的作用。按照不可逆律，在較老地層中已經絕滅的化石物種，不會在較新的地層中出現，不同時代的地層中必具有不同的化石生物群。把層序律和不可逆律結合起來，就構成利用古生物學方法確定地層時代和劃分地層的基本原理。第二，相關律，是法國古生物學家居維葉提出來的。他指出，生物體的各部分發展之間有著密切的聯係，一旦某部分發生變化，必然會引起其他部分的變化。這是由於在適應環境的同時，必然會影響到其他方麵。例如，哺乳類對肉食適應會引起牙齒的分化（適應於撕咬）、上下頜強化、感覺敏銳、四肢強壯、趾端具爪等一係列相關的變化。按照相關律，運用一些比較解剖學的知識，可以從通常保存不完整的化石資料複原其整體，並可據此推斷其生活習性，以恢複古環境。第三，德國生物學家赫克爾提出來的重演律。他指出，個體發育是係統發生的簡短重演。以重演律為依據，可以從個體發育追索生物所屬群類的係統發生，從而建立係譜，更加有助於正確分類。例如，將某些單體四射珊瑚按從幼年期到成年期的順序來觀察切片，可看到內部構造初期為單帶型，隨後為雙帶型，最後演變為三帶型。由此可說明三帶型四射珊瑚的係統經曆了從單帶型到雙帶型再到三帶型的過程。
1.進步性進化
進步性進化指生物界的曆史總的是由少到多、由低級到高級、由簡單到複雜的趨勢。古生物的進化有宏觀上的不斷進步和階段性進化的特點。1967年，哈蘭等根據以上類別的時代分布做出相關統計，從寒武紀時的幾十個增至現在的1000多個。植物、無脊椎動物、脊椎動物的趨勢是同樣的。在16個主要門類中，除裸子植物門、軟體動物門、腕足動物門和爬行綱外，均呈分異度增加，由低到高，由簡到繁的趨勢，這是陳世驤於1978年提出來的。
2.階段性進化
階段性進化，也就是一係列短期的突變（間斷）與長期的漸變（平衡）交替發生的過程。突變是由於舊門類的大規模絕滅和隨之而來的新門類的爆發式新生和輻射適應；新門類產生後，就會出現長期的穩定發展的漸變期，直到下一個間斷。大規模絕滅是指許多門類在地球上大部分地區在同一地質時期內絕滅。在隱生宙末，伊迪卡拉動物群的消失代表一次大絕滅。在顯生宙，有人統計共有6次大規模絕滅（寒武紀末、奧陶紀末、泥盆紀末、二疊紀末、三疊紀末、白堊紀末）。以二疊紀末的一次最為劇烈。每一次大規模絕滅，屬的交替達百分之數十，種的交替更大，高達90%以上。它們與隨之而來的新門類輻射適應相結合，構成地史上劃分相對地質年代的基礎。關於大規模絕滅的原因，一般分為三種原因：生物界本身（競爭、攫食、營養源、營養區、營養水平的改變等）的原因、球內（溫度、鹽度、氣候、氧、淺海、大陸架區等的變化等）的原因和球外（輻射、撞擊、磁場改變等）的原因。不過，目前認為由球外星體撞擊引起塵霧，造成蔽光、致冷、毒化等綜合影響，致使白堊紀末大規模絕滅；以及由於板塊重新拚合，大陸架區大海日漸消退，引起二疊紀末大規模絕滅的說法最為流行。
3.古生物的分類係統
古生物的分類係統與生物學相同，也分為界、門、綱、目、科、屬、種。不過其中也有一些輔助單位，如超科、超目、超綱、超門（生物學稱總科、總目），亞種、亞屬、亞科、亞目、亞綱、亞門等。古生物物種的概念與生物學物種是一樣的，但是由於化石不能判斷是否存在生殖隔離，所以更以以下特征為重：第一，共同的形態特征；第二，構成一定的居群；第三，居群分布在一定地理範圍。根據以上特征判別的化石種，被認為是自然的生物分類單元，相對而言具有一定的客觀性。然而通常有一些化石種僅僅是根據生物體的某些部分（如植物葉片）的形態來確定的；或經過詳細研究發現在同一種名下記述了分屬於不同分類單位的部分生物體；或同一分類單位具有幾種形態（如性雙形現象），但已被分別給予不同的種名。這些種被稱為形態種，是用來區別自然單元的種。另外，屬也有同樣的情況，其中有一個不同點就是，現代生物學分類中最低單位隻有地理亞種，而古生物學分類中還有年代亞種，它是指同一種內，在不同時代分布上其形態特征不同的種群；年代亞種進一步發展，就發展成為年代種。