Les scientifiques peuvent comprendre le climat passé en étudiant les strates géologiques et les fossiles. En ce qui concerne les strates géologiques, si l’on découvre des dépôts glaciaires épais dans les strates, cela indique l’existence d’une période glaciaire. Si l’on observe une baisse massive du niveau de la mer à l’échelle mondiale et une expansion considérable des terres émergées, cela indique également l’existence d’une période glaciaire. Lorsque le climat est froid, la neige qui tombe sur les terres s’accumule et ne fond pas pour se déverser dans la mer, tandis que l’évaporation de l’eau de mer diminue, entraînant une baisse continue du niveau de la mer. Selon les échosondes, la quantité de glace en Antarctique aujourd’hui est d’environ 27 × 10^6 kilomètres cubes. Une telle quantité d’eau transformée en glace ferait baisser le niveau de la mer de 65 à 75 mètres. De plus, il est possible de déterminer les changements climatiques passés en mesurant les isotopes d’oxygène et de carbone dans les strates géologiques. Comme le climat est lié aux gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone, la composition des isotopes d’oxygène et de carbone dans les dépôts géologiques peut révéler la situation du cycle du carbone à l’époque. Des couches de loess très épaisses, des stalactites très longues, des dépôts très épais au fond des océans et des carottes de glace très épaisses en Antarctique, par exemple, permettent de mesurer systématiquement les variations des isotopes d’oxygène et de carbone au fil des millions d’années afin de comprendre l’évolution progressive du climat passé.
En ce qui concerne les fossiles, ils peuvent également révéler les changements climatiques passés. Le climat a un impact important sur les êtres vivants. En général, les animaux vivant dans les régions tropicales ont un métabolisme plus rapide et sont plus petits, tandis que les animaux vivant dans les régions polaires ont un métabolisme plus lent et sont plus grands pour se protéger du froid. Certains animaux ne peuvent vivre que dans les régions tropicales, tandis que d’autres ne peuvent vivre que dans les régions polaires. Pendant le Pléistocène moyen en Chine, par exemple, il est possible de distinguer clairement les animaux de l’époque en deux groupes : d’une part, les animaux vivant dans le nord froid, représentés par l’Homo pekinensis et le Megaloceros giganteus, et d’autre part, les animaux vivant dans les régions tropicales et subtropicales du sud, représentés par le Smeijsandra huaxi et l’Ailuropoda microta. De même, avant l’arrivée de la troisième période glaciaire à la fin de l’Ordovicien, les animaux qui vivaient étaient tous de petite taille. Lorsque la période glaciaire arriva, la température chuta brusquement, le niveau de la mer baissa de 50 à 100 mètres et de nombreux animaux disparurent. Pendant la longue période glaciaire qui suivit, de nombreux animaux s’adaptèrent progressivement au climat froid et devinrent plus grands, formant des populations d’animaux typiques de la période glaciaire, très différentes de celles d’avant la période glaciaire, et faciles à distinguer les unes des autres.