Los científicos pueden aprender sobre el clima antiguo a través de los estratos y los fósiles. En cuanto a los estratos, si se descubren depósitos glaciales muy gruesos en la corteza terrestre, esto indica la existencia de una edad de hielo; si se observa una caída masiva del nivel del mar en todo el mundo y una gran expansión de las tierras emergidas, también indica la existencia de una edad de hielo. Cuando el clima es frío, la nieve que cae sobre la tierra aumenta y no se derrite para fluir hacia el mar, mientras que el agua del mar se evapora cada vez más, lo que provoca una caída del nivel del mar. Según las exploraciones por eco, el volumen de hielo en la Antártida actual es de aproximadamente 27 × 10^6 km^3. Una cantidad tan grande de agua que se congela haría que el nivel del mar descendiera entre 65 y 75 metros. Además, se puede utilizar el método de medición de los isótopos de oxígeno y carbono en los estratos para determinar los cambios en el clima antiguo. Dado que el clima está relacionado con gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, la composición de los isótopos de oxígeno y carbono en los sedimentos de los estratos puede proporcionar información sobre el ciclo del carbono en ese momento. Los depósitos de loess muy gruesos, las estalactitas muy largas, los sedimentos muy gruesos en el fondo del océano y los núcleos de hielo muy gruesos en la Antártida, entre otros, permiten medir sistemáticamente los cambios en los isótopos de oxígeno y carbono a lo largo de millones de años para obtener datos sobre los cambios graduales en el clima antiguo.
En cuanto a los fósiles, también se puede aprender sobre los cambios en el clima antiguo a través de ellos. El clima tiene un gran impacto en los organismos. Por lo general, los animales que viven en los trópicos tienen un metabolismo más rápido y son más pequeños, mientras que los que viven en las zonas templadas tienen un metabolismo más lento y son más grandes para protegerse del frío. Algunos animales solo pueden vivir en los trópicos, mientras que otros solo pueden vivir en las zonas templadas. Por ejemplo, en China durante el período medio del Pleistoceno, se pueden distinguir claramente los animales de la época en dos grupos: el grupo de animales que vivían en el norte frío, representado por el homínido de Pekín y el ciervo de cuernos engrosados, y el grupo de animales que vivían en las zonas tropicales y subtropicales del sur, representado por el tigre dientes de sable y el panda gigante. Por ejemplo, antes de la llegada de la tercera edad de hielo en el Ordovícico, los animales que crecían eran más pequeños, y cuando llegó la edad de hielo, la temperatura se desplomó y el nivel del mar descendió entre 50 y 100 metros, lo que provocó la extinción de muchos animales; durante la larga edad de hielo que siguió, muchos animales se adaptaron lentamente al clima frío y crecieron hasta ser más grandes, formando grupos de animales típicos de la edad de hielo que diferían significativamente de los de antes de la edad de hielo, y sus diferencias eran fácilmente identificables.