Paleolimnologia selvittää vesistön eliöstön historiaa ja menneisyyden vedenlaatua vesistöjen pohjasedimenttiin hautautuneesta aineistosta tarvittaessa jopa tuhansien vuosien ajalta. Vesistöjen pohjaan kerrostunut sedimenttipatja on aikajärjestyksessä oleva luonnonhistoriallinen arkisto, johon on taltioitunut vesistön ja sen lähialueen ympäristöhistoria.
Tutkimalla vertikaalisen sedimenttisarjan koostumusta ja ajoittamalla tutkitut kerrokset saadaan luotettava ja kattava kuva menneiden aikojen ympäristöoloista, niissä tapahtuneista muutoksista, muutoksen suunnista ja nopeuksista. Näitä muutoksia havainnoimalla voidaan edelleen arvioida, onko muutos ollut luontaista vai ihmistoiminnan aiheuttamaa.
Sedimentistä voidaan mallintaa erilaisia parametreja, kuten tutkittavan ajanjakson lämpötilaolot, suolaisuus, pH, syvyysolot, ravinnetaso ja veden väri sekä humuspitoisuus. Myös vesistöä ympäröivän alueen kasvillisuushistoriaa on mahdollista selvittää. Keskeisin hyöty paleolimnologisista tutkimuksista on se, että niiden avulla voidaan epäsuorasti rekonstruoida näille parametreille numeerisia arvoja sellaisilta ajanjaksoilta, joilta ei ole olemassa suoraan mitattua tietoa. Kun tiedetään tutkittavan vesistön aiempi muutoshistoria ja tapa reagoida erilaisiin ympäristömuutoksiin, voidaan myös tulevaa muutosherkkyyttä ennakoida. Tällaisesta on hyötyä esimerkiksi erilaisten ilmastonmuutosmallien testauksessa ja vesistöjen kunnostustoimien suunnittelussa.
Paleolimnologinen tutkimus perustuu niin sanottujen paleobioindikaattorien tutkimiseen ja määrittämiseen sedimentistä otetusta näytteestä. Paleobioindikaattori on sellainen sedimentissä hyvin säilyvä ja yleinen eliö tai eliöyhdyskunta, jonka tiedetään olevan herkkä ympäristössään tapahtuville muutoksille. Mitä kapeampi eliön toleranssi ympäristömuutoksille on, sitä parempi indikaattori se on. Tällaisen eliön esiintyminen kertoo hyvin siitä ympäristöstä, jossa se on aikanaan elänyt. Käytettyjä paleobioindikaattoreita voivat olla muun muassa piilevien, vesikirppujen, pohjaeläinten tai siitepölyjen jäänteitä.[1][2]