寻找、挖掘作业只是认识恐龙化石的第一步，接下来就是将化石骨骼一块块地拼凑起来，重新构建一副骨架，而复原的工作则是在骨骼上添加筋肉，使之重现生前的模样。所以有时古生物学家花在实验室里的时间比花在野外的还长。
清理化石
在实验室里取出恐龙化石时需要特别小心，去除岩石、露出化石的精巧细部构造需要谨慎处理，也相当费时，可视需要移除的岩石多寡来决定使用的工具。在去除化石周围的岩石后，需要在化石上涂胶水和树脂来加以保护。
酸剂预备作业
稀释后的乙酸或甲酸可以用来溶蚀化石周围的岩石，而不会伤及化石本身。但整个作业过程必须谨慎监看，因为有时酸剂会由内部将化石分解。并且有些酸剂相当危险，可能会灼伤皮肤，因此使用者必须穿戴安全面罩、手套及防护衣。
学术描述与命名
等化石完全准备妥当，古生物学家就可以描述化石的构造，并与相关或类似种类的恐龙做比较，如果有可能是新的属或种类，就要为这个化石恐龙起个新学名。拿新化石的特征和其他化石做比较，就可以把新化石纳入种系发生关系中。
指准化石
指准化石通常都是些会迅速改变（存活时间极短），广泛分布而且可以根据细小碎片来鉴别的常见种类。由于知道这类化石的精确年龄，因此可以作为对比标本，来为发现于这类化石旁边、上边或底层的遗迹定年。多年以来，科学家们已经建立了许多指准化石目录。
图解描绘
图解描绘的过程是描述恐龙实际长相的关键。图解的方式很多，有的是精确素描岩石中埋藏的化石，也有的是结构完整、标示清楚的重建复原骨骼图。为求精确，科学家通常会使用投影描绘器。虽然素描作品不如照片精确，但还是很有用，因为借由素描可以将可能同时出现在单件化石上的特征结合呈现。
原稿审阅和论文发表
完成化石研究后就可以把研究成果写成论文公开发表。论文内容可能是新恐龙的描述，或是重新评估某种早已认识的恐龙种类，可以用图表、照片来辅助说明。因为所有论文在正式发表之前都需要经过同行审阅，所以多半相当可靠。
重组
在弄清了某种恐龙骨骼的结构之后，就会尽可能地重组该副骨架，失落的骨骼用玻璃纤维制作的模型来代替。现在我们能够看到的大部分大型的展示骨架也都是用质量较轻的玻璃纤维模型来代替，并将细金属条隐藏其中，以便支撑架构。
重塑
重组的骨架是重塑某种恐龙生前模样的基本依据，现存的爬行类、鸟类和哺乳动物的身体结构也可以用来参考。它们有助于指出恐龙内部器官的大小、外形、位置和构成腹部的肌肉情况。皮肤的构造则参照化石上的皮肤印痕。
恐龙皮肤的颜色
恐龙的体型、生活形态等我们可以通过发现的化石而进行复原和推断，但对恐龙皮肤的颜色我们无法找到化石的依据，所以只能根据我们对现有动物的认识来推测。据古生物学家推测，大型恐龙可能会有大象一样的土褐色皮肤，小一点的恐龙可能会有斑纹或斑点作为保护色，颜色也会更鲜艳一些。交配期间，雄性恐龙的头部与皮肤的部分区域可能会像现代鸟类一样显现出艳丽的色彩，这样更容易获得异性的青睐。
库存的宝藏
我们在博物馆里能够看到的恐龙其实只是库存化石中的一小部分，例如在犹他州普罗伏杨百翰大学的地球科学博物馆就贮藏了近100吨尚未剥除石膏外壳的化石。许多博物馆地下室的架子或抽屉里塞满了贴有标签的恐龙骨骼化石，其中大部分会原封不动地摆上好几年，等待科学家来研究。有些古生物学家会从一两根百年前出土没人研究或鉴定错误的骨骼当中，鉴定出全新的恐龙品种。
确定化石生存年代
过去确定化石生存的年代，唯一的方法是比较蕴藏化石的岩层与其上下岩层之间的相对生成年代。但是现在可用放射性定年法来确定恐龙的年代，误差大约在一百万年左右。但此法必须用特殊的仪器测量特定岩石里的放射性元素含量。