Secara teknis, penelitian mereka sangat kompleks karena mengharuskannya melewati tahapan-tahapan tertentu. Hasil penelitian mereka inilah yang nantinya akan memberikan pemahaman tentang kehidupan masa lalu di Bumi.
Secara sederhana, ada beberapa tahapan yang mesti dilakukan peneliti dalam mempelajari fosil. Pertama, menentukan lokasi geografis untuk mengetahui lokasi geologi temuan.
Hal ini bisa membantu mempersempit detail pencarian, misalnya organisme mana yang hidup pada masa itu dan bagaimana lingkungan mereka.
Selanjutnya ahli paleontologi melakukan observasi pada fosil untuk memperoleh berbagai informasi. Contohnya gigi dinosaurus yang terfosilisasi diamati, kemudian dari fosil tersebut didapatkan petunjuk bagaimana pola makannya di masa lalu.
Pengamatan juga bisa memberi arahan tentang silsilah famili atau pohon filogenetik dari fosil hewan tertentu. Ini dapat menentukan sekelompok hewan dari nenek moyang yang sama.