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La paleobotanica (dal greco παλαιός, "antico", e βοτάνη, "pianta", quindi "scienza relativa alle piante antiche") è la disciplina che si occupa dello studio delle alghe e delle piante fossili presenti nei sedimenti; costituisce una branca della paleontologia. Risulta fondamentale per la ricostruzione degli ecosistemi ancestrali e per gli studi riguardanti l'evoluzione delle piante, oltre ad essere un valido supporto alle ricerche sulle variazioni climatiche.
In maniera analoga si applica ai contesti antropici, sotto il nome di archeobotanica, contribuendo alla ricostruzione del paesaggio ed individuando l'uso tecnologico, economico e alimentare delle piante da parte dell'uomo nel passato.
Per identificare vari tipi di resti vegetali, si avvale di numerose sottodiscipline: antracologia, analisi dei fitoliti, foglie e cuticoli, paleocarpologia, palinologia, scienza strettamente che si occupa dello studio del polline e delle spore attuali e fossili.
La paleobotanica è importante per la ricostruzione degli ecosistemi e dei climi fossili ed è fondamentale per lo studio dell'evoluzione delle piante.
Le indagini si concentrano sui cambiamenti nella vegetazione (in rapporto al clima e alla situazione ambientale) e sull'analisi degli interventi umani sull'ambiente, facendo particolare attenzione alla dieta e all'economia.
Questi approcci vengono definiti rispettivamente ecologico ed etnologico. Nei primi lavori condotti da botanici su materiale vegetale antico, si è data particolare attenzione allo sviluppo delle specie nel tempo e nello spazio. Viene preso in considerazione la distribuzione regionale delle piante o il loro apparire ed estinguersi nei vari contesti fitogeografici. L'interesse è esteso anche all'introduzione dell'agricoltura e alla diffusione delle specie coltivate.