Gli scienziati possono comprendere il clima antico studiando le formazioni geologiche e i fossili. Per quanto riguarda le formazioni geologiche, se si trovano depositi glaciali molto spessi nella formazione, ciò indica l'esistenza di un'era glaciale; se si riscontra un calo significativo del livello del mare a livello globale e un'espansione considerevole delle terre emerse, ciò indica anche l'esistenza di un'era glaciale. Quando il clima è freddo, la neve che cade sulle terre emerse aumenta e non si scioglie per formare corsi d'acqua che sfociano nell'oceano, mentre l'evaporazione dell'acqua di mare diminuisce e il livello del mare continua a scendere. Secondo l'ecolocalizzazione, oggi il ghiaccio dell'Antartide si estende su circa 27×10^6 chilometri cubici. Una quantità così grande di acqua che si trasforma in ghiaccio provocherebbe un calo del livello del mare di 65-75 metri. Inoltre, è possibile determinare i cambiamenti del clima antico misurando gli isotopi di ossigeno e carbonio nelle formazioni geologiche. Poiché il clima è legato ai gas serra come l'anidride carbonica, la composizione degli isotopi di ossigeno e carbonio nelle sedimentazioni geologiche può fornire informazioni sul ciclo del carbonio dell'epoca. Strati di loess molto spessi, stalattiti molto lunghe, sedimenti molto spessi sul fondo dell'oceano e un'enorme quantità di nuclei di ghiaccio nell'Antartide, se misurati sistematicamente per le loro variazioni degli isotopi di ossigeno e carbonio, consentono di ottenere dati sull'evoluzione graduale del clima antico nel corso di milioni di anni.
Per quanto riguarda i fossili, anche questi possono fornire informazioni sui cambiamenti del clima antico. Il clima ha un grande impatto sugli organismi viventi. Generalmente, gli animali che vivono nelle zone tropicali hanno un metabolismo più veloce e dimensioni più piccole, mentre quelli che vivono nelle zone temperate hanno un metabolismo più lento e dimensioni più grandi per proteggersi dal freddo. Alcuni animali vivono solo nelle zone tropicali, altri solo nelle zone temperate. Ad esempio, durante il Pleistocene medio in Cina, è possibile distinguere chiaramente gli animali dell'epoca in due gruppi: quelli che vivevano nel freddo nord, rappresentati dall'Homo pekinensis e dal Megaloceros, e quelli che vivevano nelle zone tropicali e subtropicali del sud, rappresentati dal Smeatonictis e dal Panda gigante. Ad esempio, prima dell'arrivo della terza grande era glaciale all'inizio dell'Ordoviciano, gli animali che crescevano erano di piccole dimensioni; quando l'era glaciale arrivò, la temperatura crollò e il livello del mare scese di 50-100 metri, con la conseguente estinzione di molti animali; durante la lunga era glaciale che seguì, molti animali si adattarono gradualmente al clima freddo e le loro dimensioni aumentarono, dando origine a una fauna glaciale peculiare, molto diversa da quella precedente all'era glaciale, e facilmente distinguibile.