与基于仪器观测记录研究的现代气候不同，古气候利用各种气候代用资料进行重建，主要有陆地沉积与地貌（湖泊沉积、冰川沉积、黄土沉积、古沙丘、洞穴堆积、石灰华、古冰缘等）、大洋沉积、冰芯、生物证据（树木年轮、孢粉、植物微体化石、硅藻、昆虫化石等）、考古记录、历史文献记录（灾异、物候、税收等）。利用气候模式进行古气候模拟也是研究古气候的重要手段，它能够检测有关气候变化成因的理论，评价过去气候重建的结果，推断过去的气候情景，古气候模拟的可信度不仅与模式本身的性能有关，也受制于所输入的气候代用资料的准确性。

自地球诞生以来，气候在各个时间尺度之上一直处在不停的变化之中。过去40多亿年间，地球总体上以温暖为主，其中在距今9亿年以来，全球气候出现3～4次10⁶~10⁷年尺度的大冰期，分别在新元古代、奥陶纪晚期、古生代晚期和新生代晚期，构造运动的驱动作用可能占主导地位；过去250万年来，全球气候主要受地球轨道参数驱动，以10⁴～10⁵尺度的冰期与间冰期交替变化为特征；过去1万年的间冰期气候中存在10³年尺度的波动，中全新世为暖期，在8.4千年和4千年前等时段出现强变冷事件，亚轨道参数变化和地球系统内部反馈机制可能是变化的主要原因；过去200年以10²～10³年尺度上的中世纪暖期和小冰期等阶段冷暖性变化为特征，太阳活动、火山活动和地球系统的内部反馈机制可能是主要原因；20世纪以来经历了从小冰期结束后气候转暖的过程，除自然因素外，人类活动对20世纪的气候变化变暖有重要影响。