Depuis toujours, et encore maintenant, l’étude des squelettes de Vertébrés fossiles, comme celle de tous fossiles, demeure fondamentale, car ils sont les seuls témoins objectifs de l’évolution. Il s’agit donc de les étudier avec un soin particulier pour en tirer un maximum de renseignements. Maintenant, même dans leur propre domaine, les paléontologues sont obligés d’intégrer les analyses de la biologie moléculaire.
Le principe de l’ascendance commune implique que tous les organismes ont pour origine des ancêtres communs (voir la section 4.2 : « Le darwinisme ») ; comparer les structures entre les différents groupes fossiles permet de saisir les voies suivies par l’évolution. L’anatomie comparée s’est dotée de plusieurs principes pour dégager les caractéristiques d’un animal afin de le situer par rapport à un milieu, à d’autres espèces ou à un niveau taxinomique.
Le principe de la « corrélation des organes », encore appelé « loi de corrélation » ou bien « loi de coexistence des organes », est l’un des plus importants. Établi en 1795 dans un mémoire d’Étienne Geoffroy Saint-Hilaire et de Georges Cuvier, il affirme qu’un organe ne peut changer sans en affecter d’autres. Par conséquent, chaque organe, étudié séparément, peut donner des informations sur d’autres. G. Cuvier utilisera avec succès ce principe dans la reconstruction du Paleotherium des gypses de Montmartre.
Le principe des connexions de É. Geoffroy Saint-Hilaire, qui stipule que les connexions entre les organes sont des invariants, autorise la reconnaissance des homologies (voir la section 2.2.3 : « La méthode cladistique, la reconnaissance des homologies »).
Un troisième principe, fréquemment utilisé, lie les structures organiques des animaux à leur milieu et à leur mode de vie. On parlerait aujourd’hui de la « structure-fonction » des organes. Lamarck et É. Geoffroy Saint-Hilaire en ont été les premiers utilisateurs.
Les Hominoïdes offrent l’exemple d’une lignée reconstituée à partir de l’analyse et de la comparaison de pièces squelettiques fossiles. Leur étude, qui repose sur des mesures précises, a permis de retracer leur morphologie générale et de reconstituer parfois certains de leurs comportements, par exemple la taille des outils. Une datation précise des fossiles s’avère indispensable, car la lignée humaine a évolué rapidement. Malheureusement, les sédiments quaternaires, souvent remaniés dans quelques régions, sont difficiles à dater et les filiations sont régulièrement révisées ; les datations de fossiles africains, demeurés enfouis, sont parfois très fiables, car les sédiments du Rift africain, épais de 1 200 m, sont peu remaniés et les accidents volcaniques offrent de bons repères chronologiques. Les préhistoriens s’accordent néanmoins sur les grands traits de la lignée proposée.