Le squelette osseux et les dents sont des tissus calcifiés dont la structure échappe pour cette raison à la dégradation bactérienne, ce qui explique leur conservation fréquente sur de très longues durées. Leur examen fait appel aux connaissances de l'ostéologie et se centre sur différentes approches.
Elle est représentée essentiellement par les fractures osseuses qui sont les lésions les plus évidentes et les plus faciles à étudier. La survenue d'une fracture osseuse est un événement exceptionnel dans la vie d'un individu mais relativement fréquent à l'échelle d'une population. Il n'est donc pas étonnant de retrouver des cals osseux sur les squelettes des nécropoles préhistoriques ou médiévales. Des interprétations souvent excessives ont été proposées pour expliquer ces lésions (blessures lors de conflits). Dans les populations modernes à espérance de vie élevée, les hommes ont un risque de fracture plus grand, dans l’enfance, entre 20 et 50 ans puis après 70 ans. Les femmes, à l'inverse sont moins exposées à ces lésions à l'âge adulte mais voient considérablement augmenter ce risque après la ménopause soit environ 50 ans.
L'étude d'une fracture en paléopathologie doit prendre en compte plusieurs paramètres : sexe du sujet, âge estimé lors du décès, localisation de la fracture, type de fracture, aspect radiographique de l'os environnant, arthrose des articulations voisines, ostéoporose et autre pathologie du reste du squelette.
Au terme de cette analyse, les fractures peuvent être rapportées à des contextes individuels particuliers tels que les fractures de l'enfant, les fractures consécutives à des blessures par arme, les fractures pathologiques liées à une fragilité de l’os (ex : ostéoporose) ; bien souvent les fractures restent de contexte indéterminé. On peut également retrouver des preuves indirectes d’une attitude « médico-chirurgicale » quand les fractures sont bien consolidées avec des déplacements minimes des fragments, éléments en faveur d’une immobilisation efficace du membre.
L'étude des fractures permet une approche paléopathologique des conditions de vie et de l’attitude face à un traumatisme des populations anciennes. Il faut faire justice de la notion simpliste de fractures témoins de la violence dans la vie quotidienne des populations passées. Bien des fractures observées sont banales comme des fractures du poignet chez des sujets âgés ou des fractures du tibia et du péroné chez des adultes jeunes témoignant de chutes. Il ne faut cependant pas oublier le caractère multifactoriel des déterminants des fractures en particulier ostéoporotiques, obligeant à une grande prudence dans les interprétations.
Ils se traduisent par des remaniements de l'os au voisinage de l'articulation avec hypercalcification ou décalcification. De tels changements restent dans le domaine « normal » tant qu'ils ne sont pas douloureux et n'affectent pas la vie quotidienne. Au contraire, lors de changements brutaux ou de phénomènes inflammatoires, on parle d'anomalies pathologiques ou morbides. La limite entre dégénératif (arthrose) et pathologique (arthrite) n'est pas toujours facile à établir.
Ces anomalies dégénératives sont souvent utiles pour déterminer l'âge du décès en anthropologie préhistorique, même si l'on sait combien elles dépendent fortement de l'environnement.
Elles ne laissent que rarement des traces susceptibles d'être observées, mais il existe des exceptions comme par exemple les caries, les processus inflammatoires à proximité des os (par exemple, parodontite ou gingivite plus ou moins mal guéries, les blessures profondes).
Il est très rare que les infections générales puissent être diagnostiquées avec précision, exception faite de l'ostéomyélite syphilitique qui laisse des traces caractéristiques sur les os.
Il peut s'agir de formations calcifiées restées à l'intérieur de viscères creux, comme les calculs rénaux ou vésiculaires.
Il peut s'agir aussi de maladies prolifératives des tissus, les tumeurs. Leur diagnostic peut être fait directement si elles concernent les os ou indirectement par les remaniements osseux qu'elles provoquent si elles concernent les tissus mous au voisinage de l'os.
Ils sont décelables dans certains cas, comme par exemple l'anémie qui provoque l'altération du plafond de l'orbite (hyperostose porotique dite Cribra orbitalia) ou le rachitisme dû au manque de vitamine D laissant lui aussi des traces caractéristiques.
Ils concernent des zones déterminées, l'émail dentaire et les métaphyses des os longs. Un arrêt de la croissance peut être détecté par l'hypoplasie de l'émail dentaire (formation défectueuse visible dans la forme des rainures horizontales), ainsi que dans ce qu'on appelle les lignes de Harris (les lignes terminales, visibles sur les coupes transversales des os longs).
Elles sont également reconnaissables par les malformations osseuses caractéristiques qui leur sont associées. Cependant, elles ne sont pas fréquentes et aboutissent souvent à une mort prématurée et à une mauvaise conservation des os en raison de leur fragilité, notamment s'il s'agit d'enfants. C'est pourquoi leur étude reste assez marginale dans la recherche en paléopathologie.