Yaklaşık 4,5 milyar yıllık tarihi boyunca Dünya, ısınma ve soğuma dönemleri yaşamıştır. Bununla birlikte, küresel sıcaklıklardaki şiddetli artış, Dünya'nın döngüsel normlarının çok dışındadır ve insan kaynaklı küresel iklim değişikliğine dair kanıtlar bulunmaktadır. Eski iklim koşullarının incelenmesi olan Paleoklimatoloji, yakın zamandaki koşulları geçmiştekilerle karşılaştırarak insan kaynaklı küresel iklim değişikliği için bol miktarda kanıt sağlamaktadır.
Yalnızca son 650.000 yılda, yedi buzul ilerlemesi ve geri çekilme döngüsü yaşandı. 11.000 yıldan fazla bir süre önce, en son buzul çağı aniden sona erdi ve modern iklim çağımızın başlangıcı olan Holosen jeolojik çağına geçildi. Tarihsel iklim değişikliklerinin çoğu, Dünya'nın aldığı güneş radyasyonu miktarını değiştiren dünyanın yörüngesindeki küçük değişikliklerle ilişkilidir.
Paleoklimatoloji, Dünya'nın jeolojik geçmişi boyunca iklim koşullarının ve bunların nedenlerinin ve etkilerinin incelenmesidir. Paleoklimatologlar, Dünya'nın ikliminin ve atmosferik sisteminin geçmiş koşullarını anlamak için çeşitli bilimsel yöntemler kullanırlar.
Kalın dağ buzullarından ve kutup buzullarından alınan buz çekirdeği örnekleri, küresel iklim değişikliği hakkında bilgi verebilir. Buz birikimindeki mevsimsel duraklamalar, buz çekirdeklerinde gözlemlenebilir katmanlara yol açabilir. Bu katmanlar, en alt katmanlar en eski olmak üzere bir kronoloji oluşturmak için kullanılabilir. Araştırmacılar daha sonra, Dünya'nın eski iklimini yeniden inşa etmek için buzun özelliklerini ve içinde hapsolmuş malzemeyi (örneğin, hava kabarcıkları ve oksijen ve hidrojen izotoplarının oranları) analiz edebilirler. Antarktika'daki Avrupa Buz Çekme Projesi, Holosen volkanik tarihinin ayrıntılı bir kaydını sağlamak için Antarktika'daki buz çekirdeklerinde hapsolmuş volkanik külü analiz ettiler. Bu kayıt Holosen sırasında 96 patlama olduğunu ortaya çıkardı ve bu patlamaların 33'ü son 2000 yılda meydana gelmiştir.
Bilim adamları, dendroklimatoloji adı verilen bir alan olan yıllık ağaç halkalarını inceleyerek de geçmiş iklimi inceleyebilirler. Esasen, ağaç halkaları uygun koşullar altında daha geniş ve zorlu zamanlarda daha dardır. Ağaç halkaları, halkaları numuneden numuneye eşleştirerek ve hatta arkeolojik kazılardan numuneler bile doğru bir şekilde tarihlendirilebilir. Dendroklimatolojinin sınırlamaları olsa da ağaç halkaları, belirli coğrafi konumlar için yüksek çözünürlüklü iklim kayıtları oluşturmak için kullanılabilecek yararlı iklim proxyleridir.
