Les variations climatiques passées peuvent être déterminées grâce à divers indices géologiques et biologiques. L'étude des pollens fossiles, des sédiments marins et des carottes glaciaires permet de reconstituer les climats anciens et leurs fluctuations au cours des ères géologiques. Les principaux facteurs influençant le climat à long terme sont les paramètres orbitaux de la Terre, l'effet de serre et les rétroactions climatiques.
• Les diagrammes polliniques et l'analyse des pollens fossiles renseignent sur la végétation passée et donc le climat
• Les foraminifères et autres fossiles marins sont des indicateurs des températures océaniques anciennes
• Les carottes glaciaires contiennent des bulles d'air et des isotopes permettant de reconstituer la composition atmosphérique et les températures passées
• Les paramètres orbitaux de Milankovitch (obliquité, excentricité, précession) influencent le climat à grande échelle temporelle
• L'effet de serre, modulé par la concentration en CO2 atmosphérique, joue un rôle majeur dans les variations climatiques
• Des boucles de rétroaction positives ou négatives peuvent amplifier ou atténuer les changements climatiques initiaux