Wissenschaftler können aus Gesteinen und Fossilien Rückschlüsse auf das antike Klima ziehen. Was die Gesteine betrifft, so zeigt die Entdeckung von sehr dicken Gletscherablagerungen in Gesteinen die Existenz einer Eiszeit an. Eine globale massive Senkung des Meeresspiegels und eine starke Ausdehnung der Landflächen zeigen ebenfalls die Existenz einer Eiszeit an. In kalten Klimazonen fällt mehr Schnee auf das Land, der nicht in Wasser umgewandelt und ins Meer gespült wird, während gleichzeitig weniger Wasser verdunstet und der Meeresspiegel sinkt. Laut Echolot-Untersuchungen beträgt das Volumen des antarktischen Eises heute etwa 27×10^6 Kubikkilometer. Eine so große Menge an Meerwasser, die zu Eis gefroren ist, würde den Meeresspiegel um 65–75 Meter senken. Darüber hinaus können Änderungen des antiken Klimas auch anhand der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope in Gesteinen bestimmt werden. Da das Klima mit Treibhausgasen wie Kohlendioxid zusammenhängt, kann die Zusammensetzung der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope in Gesteinsablagerungen Aufschluss über den damaligen Kohlenstoffkreislauf geben. Systematische Messungen der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope in sehr dicken Lößschichten, sehr langen Tropfsteinen, sehr dicken Sedimenten auf dem Meeresboden und sehr dicken Eisbohrkernen in der Antarktis ermöglichen es, Daten über die allmähliche Veränderung des antiken Klimas über Millionen von Jahren zu erfassen.
Was die Fossilien betrifft, so können auch anhand von Fossilien Rückschlüsse auf das antike Klima gezogen werden. Das Klima hat einen großen Einfluss auf die Biologie. Im Allgemeinen haben Tiere, die in tropischen Gebieten leben, eine schnellere Stoffwechselrate und sind kleiner, während Tiere, die in kalten Gebieten leben, eine langsamere Stoffwechselrate haben und aufgrund der Kälte größer sind. Einige Tiere können nur in tropischen Gebieten leben, andere nur in kalten Gebieten. Im mittleren Pleistozän in China beispielsweise konnten die damaligen Tiere klar in zwei Gruppen eingeteilt werden: Tiere, die im kalten Norden lebten, wie der Peking-Mensch und der Triceratops, und Tiere, die in den tropischen und subtropischen Gebieten Südchinas lebten, wie der Säbelzahntiger und der Panda. Während der dritten großen Eiszeit im späten Ordovizium waren die Tiere, die vor der Eiszeit lebten, klein, und als die Eiszeit kam, sank die Temperatur plötzlich, der Meeresspiegel sank um 50–100 Meter, und viele Tiere starben aus. Während der langen Eiszeit passten sich viele Tiere langsam an das kalte Klima an, und ihre Körper wurden größer, was zu einer einzigartigen Eiszeitfauna führte, die sich deutlich von der vor der Eiszeit unterschied, und ihre Unterschiede waren leicht zu erkennen.