古环境变化存在一定的时间尺度，可分为构造尺度（百万年尺度或以上）、轨道尺度（万年到十万年）和亚轨道尺度（千年尺度）。构造尺度以上的古环境变迁主要是由构造活动造成，其影响极为深远，过程不可逆。如大陆漂移、海底扩张引起的海陆分布变化和造山运动引起的地形起伏变化。轨道尺度主要是由于日照季节、纬度配置的变化驱动，往往具有波动性，以2万～10万年的地球轨道周期为主，如冰期-间冰期变化等。亚轨道尺度，一些变化周期小于万年（或呈突变的）事件，如末次冰期存在6次冷事件（哈因里奇事件），大陆冰盖的伸展和退缩﹐海岸线的进和退等。古环境变化研究的基本理论是将今论古原则。它假定现代所存在的自然地理过程﹐在过去时期里都同样地存在﹑同样地进行，因而可以利用现代的自然地理过程和自然地理原理，推论和复原过去的自然地理环境。古环境变化研究一般包括重建古代地理环境面貌和古地理环境的演变两方面。

重建古代地理环境面貌包括重建古海洋、古陆地、古气候、古生态等的分布与格局。重建古环境的具体依据和方法：①岩石学方法。不同类型岩石的生成和分布，有不同的地理环境。变质岩和岩浆岩的分布，有助于识别古造山带、火山岛弧带和地震带的分布等。沉积岩的颜色、矿物成分、结构与构造，可复原当时当地的沉积环境等。②古生物学方法。生物化石是重建古环境最重要的依据，如厚煤层的出现一般表明当时当地环境温暖润湿，有利于植被的生长。③地球化学、地球物理方法。如深海沉积物的氧同位素变化反映了地质历史时期全球的温度和冰量等。另外，时间的确定也是古环境研究的重要内容，往往通过古生物、地球化学、地球物理等方法确定研究对象的地质年龄。古地理环境的演变包括构造海陆变迁、气候变化、生态变化等。地表环境演变包括古地理变迁与古气候变迁两个方面。古环境变化研究，对于了解地质历史时期自然环境格局，现代气候与环境的形成、自然地理环境的演变有重要作用，能够更好地了解地球的环境敏感性，对矿产资源成因和探测都有指导意义。