古海洋学是海洋地质学的一个分支学科，是研究地质时期海洋环境及其演化的科学，又称历史海洋学。它利用现代地质学和海洋学知识，通过海洋沉积物的分析和研究，了解古海洋表层及底层环流的形成、演化及其地质作用，阐明海水成分在地质历史中的变化，浮游和底栖生物的演化，生产力和生物地理发展史及其对沉积作用的影响，以及海洋沉积作用的历史。
古海洋学与地质学，特别是板块构造说、古生物学、古气候学的关系密切，它为板块构造理论、生命演化、气候演变提供必要的资料；也为寻找石油天然气、煤、海底锰结核、磷酸盐矿等沉积矿床提供环境指标。
古海洋学作为一门独立的学科出现是20世纪70年代以后的事情。1968年开始实施深海钻探计划，许多钻井在各深海大洋区钻穿整个沉积层达到基底。70年代末，液压活塞取心技术的出现，能获取大量未扰动的长岩心，为研究中生代以来的海洋环境提供了较为精确的资料。
大洋生物地层学，特别是微古生物及超微化石的研究进展迅速，它与磁性地层学、同位素年代学、岩性地层学，以及火山灰年代学等技术结合起来，使得全球性地层时代对比和环境分析成为可能。板块构造说为古海洋环境的再造提供了理论基础。古生物学、地球化学及矿物学的现代科学技术广泛应用于古海洋环境的研究，大大推进了古海洋学的发展。现在，利用古海洋学理论和方法，初步建立了中生代以来各时期的海洋古环流、海洋古地理和古气候演变的模式。
古海洋学与现代海洋学不同，它只能利用古生物学、地球化学和沉积学等方法，通过海洋沉积物的分析和研究，间接地确定古海洋各环境要素。
微体古生物法是古海洋学最主要的研究手段。有孔虫、放射虫、硅藻、颗石藻等微体或超微体生物的生活，主要受海水深度、温度、盐度、浊度、营养盐以及水体运动等各种物理化学条件的控制。这些要素变化的信息便记录在生物个体、生物组合、分异度等特征上，因此海洋生物是海洋环境的灵敏标志。
不同生物对其生活环境有一定选择性，如放射虫多见于赤道海域；硅藻多产于高纬度海区；窄温性有孔虫，有的适应于温水，如截锥圆辐虫；有的适应于冷水，如厚壁新方球虫。根据生物分布还可以推断古海岸线的位置，从底栖有孔虫的居住带和生物分异度可推断古水深；微体生物化石组合和延伸方向大体指明水团和海流流向；窄盐性动植物化石可作为判断海水盐度的指标等等。
其次生物壳体的形态、大小、厚度、密度、旋转方向及骨骼孔隙度等变化，都是为适应生活环境而发生的，它们主要反映水深及水温的变化情况。生物壳体厚度的增减规律与静水压力有关，据此可判明古水深；浮游生物骨骼的孔隙度随着水的密度增大而减小，可以用来判别季节变化和气候带；植物光合作用严格受到海水深度的控制，而海水透光带一般局限在表层200米内，故根据一些植物化石可以判断古海水深度。
其它常用的古海洋研究方法还有地球化学方法、沉积学方法等。
古海洋学是近几十年来迅速兴起的新学科，目前还不够成熟，存在不少争论和假说。但作为一们高度综合的学科，它正将岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的研究结合起来，从而有可能为地质科学带来新的重大变革。
