科学者たちは、地層や化石から古代の気候を理解することができます。まず地層に関して言えば、厚い氷河堆積物が発見された場合、氷河期が存在したことを示しています。また、世界的な海面低下や陸地の大幅な拡大も氷河期の存在を示しています。気候が寒冷になると、降雪量が増え、海水の蒸発量が減少し、海面が低下します。エコー探査によれば、南極の氷の量は現在約27×10^6立米です。このような大量の海水が氷に変わると、海面は65～75メートル低下する可能性があります。さらに、地層中の酸素・炭素同位体の測定によって古代の気候変化を特定することができます。気候は二酸化炭素などの温室効果ガスに関連しているため、地層堆積物中の酸素・炭素同位体の組成から、当時の炭素循環状況を把握することができます。厚い黄土層、長い鍾乳石、深海の厚い堆積物、南極の厚い氷河コアなど、これらの堆積物の酸素・炭素同位体の変化を系統的に測定することで、数百万年にわたる古代の気候変化のデータを把握することができます。
化石に関して言えば、化石からも古代の気候変化を理解することができます。気候は生物に大きな影響を与えます。一般的に、熱帯に生息する動物は新陳代謝が速く、体が小さい傾向があります。一方、寒帯に生息する動物は新陳代謝が遅く、寒冷対策として体が大きくなる傾向があります。一部の動物は熱帯にのみ生息し、一部は寒帯にのみ生息します。例えば、中更新世の中国では、当時の動物を次のように分類することができます。寒冷な北部に生息する動物群は、北京原人や肿骨鹿が代表です。南部の熱帯・亜熱帯に生息する動物群は、剑齿虎や大熊猫が代表です。また、オルドビジア紀後期の第三次大氷河期到来前に生息していた動物は体が小かったのですが、氷河期が到来すると、気温が急激に低下し、海面が50～100メートル低下し、多くの動物が絶滅しました。その後、長い氷河期にわたって、多くの動物が寒冷気候に徐々に適応し、体が大きくなっていきました。これらの変化は氷河期以前の動物と著しく異なっており、区別しやすい特徴となっています。