L'évolution de la flore se lit régulièrement au fil du temps géologique, car d'innombrables végétaux se sont fossilisés dans la succession des roches sédimentaires. La genèse de certaines d'entre elles est d'ailleurs due à l'accumulation de leurs restes: craie, charbon...

Initialement, la vie n'existait que dans les mers. Lors de l'ère primaire - à la période du Silurien supérieur (voici environ 415 millions d'années) - certains végétaux quittèrent les eaux pour aborder les rivages, puis s'aventurèrent en pionniers à la conquête de ces déserts minéraux que constituaient alors les continents... La voie fut ensuite ouverte aux animaux.

D'importantes innovations, portant sur l'appareil végétatif (conduction de la sève, accroissement de la surface foliaire) et sur l'appareil reproducteur (apparitions successives de spores, de l'ovule et du pollen, de la graine puis du fruit) permirent à la flore de se diversifier et d'atteindre le perfectionnement, la variété et la complexité que nous constatons au sein de la nature actuelle.

Les paléobotanistes ont mis au point diverses méthodes pour étudier ces plantes pétrifiées qu'ils découvrent dans les archives de la Terre, dont les empreintes ou les structures minéralisées sont souvent si parfaitement préservées que leur étude anatomique est possible, à l'aide du microscope. Une classification phylogénétique a ainsi été élaborée, souvent remaniée et améliorée, afin de définir les liens de parenté entre les différents groupes et de les relier à la flore contemporaine, aboutissement actuel de cette évolution.

Les végétaux du passé ont constitué d'énormes gisements de roches combustibles et ont joué un grand rôle dans la formation du pétrole. L'analyse des spores et du pollen fossilisés dans les sédiments (paléo-palynologie), est essentielle pour la reconstitution du paléo-environnement et la datation des niveaux stratigraphiques. Ainsi, la paléobotanique possède d'importantes applications industrielles, qui stimulent la recherche et en font une discipline dynamique, aussi jeune que riche d'avenir.