Les chercheurs du laboratoire de Paléobotanique se livrent à des réflexions théoriques, mais aussi travaillent concrètement à partir des récoltes de fossiles et de sédiments qu'ils effectuent eux-mêmes, à l'occasion de missions de terrain, tant en France qu'à l'étranger. Ainsi, les fossiles étudiés sont-ils toujours précisément reliés au contexte géologique des bassins dans lesquels ils sont découverts.

La principale finalité de ces recherches est, d'une part, de retracer l'évolution végétale, et, d'autre part, de proposer une reconstitution du paléo-environnement de la région prospectée, donc d'évaluer quel était le climat qui régnait à l'époque considérée ; dans certains cas, la datation du sédiment contenant les fossiles peut être précisée et des corrélations entre bassins sédimentaires peuvent être établies.

Les végétaux fossilisés sont extrêmement variés : ainsi, les objets étudiés sont aussi bien un bois " pétrifié ", minéralisé en silice, qu'une empreinte foliaire observée dans le plan d'une strate, ou encore une " association palynologique " (ensemble des microfossiles d'origine végétale conservés dans une argile, par exemple des grains de pollen). Chaque type de fossile requiert une méthode de préparation, puis d'observation appropriée : par exemple, des lames minces doivent être exécutées dans le bois, puis examinées au microscope.