Gedurende haar ~ 4,5 miljard jaar geschiedenis heeft de aarde periodes van opwarming en afkoeling meegemaakt. De huidige drastische stijging van de temperatuur op aarde valt echter ver buiten de cyclische normen van de aarde. Het bewijs voor wereldwijde klimaatverandering die door de mens veroorzaakte wordt ook steeds overtuigender. Paleoklimatologie, de studie van oude klimaatomstandigheden, levert voldoende bewijs voor door de mens veroorzaakte wereldwijde klimaatverandering door recente omstandigheden te vergelijken met die in het verleden.
Alleen al in de afgelopen 650.000 jaar zijn er zeven cycli geweest van het oprukken en terugtrekken van ijstijden. Meer dan 11.000 jaar geleden eindigde de meest recente ijstijd abrupt, wat het begin markeerde van ons moderne klimaattijdperk, het holoceen geologische tijdperk. De meeste historische klimaatveranderingen houden verband met kleine variaties in de baan van de aarde die de hoeveelheid zonnestraling die de aarde ontving, veranderden.
Paleoklimatologie is de studie van klimatologische omstandigheden en hun oorzaken en gevolgen in het hele geologische verleden van de aarde. Paleoklimatologen gebruiken een verscheidenheid aan wetenschappelijke methoden om de vroegere omstandigheden van het klimaat en het atmosferische systeem op aarde af te leiden.
IJskernmonsters van dikke berggletsjers en poolijskappen kunnen informatie onthullen over de wereldwijde klimaatverandering. Seizoenspauzes in ijsophoping kunnen leiden tot waarneembare lagen in ijskernen. Deze lagen kunnen worden gebruikt om een chronologie vast te stellen, waarbij de onderste lagen de oudste zijn. Onderzoekers kunnen vervolgens de eigenschappen van het ijs en het materiaal dat erin zit (bijv. Luchtbellen en verhoudingen van zuurstof- en waterstofisotopen) analyseren om het oeroude klimaat op aarde te reconstrueren. Het Europese project voor ijskernen in Antarctica analyseerde vulkanische as dat vastzat in de ijskernen van Antarctica om een gedetailleerd verslag te geven van de vulkanische geschiedenis van het Holoceen. Dit record onthulde 96 uitbarstingen tijdens het Holoceen, met 33 van die uitbarstingenring gedurende de laatste 2000 jaar.
Wetenschappers kunnen ook het klimaat uit het verleden bestuderen door de jaarlijkse boomringen te onderzoeken – een vakgebied dat dendroklimatologie wordt genoemd. In wezen zijn boomringen breder onder gunstige omstandigheden en smaller tijdens zware tijden. Boomringen kunnen nauwkeurig worden gedateerd door ringen van monster tot monster te matchen – zelfs monsters van archeologische opgravingen. Hoewel dendroklimatologie beperkingen kent, zijn boomringen nuttige klimaatproxy's die kunnen worden gebruikt om kwalitatief hoge klimaatrecords te maken voor specifieke geografische locaties.
