Cổ sinh thái học (tiếng Anh: paleoecology, cũng được đánh vần là palaeoecology) là khoa học nghiên cứu về sự tương tác giữa các sinh vật hoặc tương tác giữa các sinh vật và môi trường của chúng trong các khoảng thời gian địa chất. Là một ngành học, cổ sinh thái học tương tác, phụ thuộc và cung cấp thông tin cho nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm cổ sinh vật học, sinh thái học, khí hậu học và sinh học.
Cổ sinh thái học xuất hiện từ lĩnh vực cổ sinh vật học vào những năm 1950, mặc dù các nhà cổ sinh vật học đã tiến hành các nghiên cứu cổ sinh thái học kể từ khi tạo ra cổ sinh vật học vào những năm 1700 và 1800. Kết hợp phương pháp điều tra tìm kiếm hóa thạch với phương pháp lý thuyết của Charles Darwin và Alexander von Humboldt, cổ sinh thái học bắt đầu khi các nhà cổ sinh vật học bắt đầu kiểm tra tất cả các sinh vật cổ đại mà họ phát hiện cùng với môi trường tái tạo nơi chúng sinh sống. Mô tả trực quan về các quần xã sinh vật sống ở biển và trên cạn trong quá khứ đã được coi là một hình thức cổ sinh thái học ban đầu. Thuật ngữ "cổ sinh thái học" được đặt ra bởi Frederic Clements vào năm 1916.