Os cientistas podem compreender o clima antigo através das camadas geológicas e dos fósseis. No que diz respeito às camadas geológicas, se forem descobertos depósitos glaciares espessos, isso indica a existência de uma era glacial; se for detectada uma descida significativa do nível do mar a nível global e uma expansão significativa das terras, isso também indica a existência de uma era glacial. Quando o clima é frio, a neve que cai sobre a terra aumenta e não se transforma em água que flui para o mar, enquanto a evaporação da água do mar diminui, fazendo com que o nível do mar desça constantemente. De acordo com os ecos sonares, o gelo na Antártida tem atualmente cerca de 27 × 10^6 quilómetros cúbicos. Uma quantidade tão grande de água do mar congelada faria com que o nível do mar descesse entre 65 e 75 metros. Além disso, é possível determinar as alterações no clima antigo através da análise dos isótopos de oxigénio e carbono nas camadas geológicas. Uma vez que o clima está relacionado com gases de efeito estufa como o dióxido de carbono, a composição dos isótopos de oxigénio e carbono nas sedimentos geológicas pode fornecer informações sobre o ciclo do carbono na época. Camadas de loess muito espessas, estalactites muito longas, sedimentos muito espessos no fundo do oceano e núcleos de gelo muito espessos na Antártida, entre outros, permitem medir sistematicamente as alterações nos isótopos de oxigénio e carbono ao longo de milhões de anos, obtendo dados sobre as alterações graduais no clima antigo.
No que diz respeito aos fósseis, estes também permitem compreender as alterações no clima antigo. O clima tem um grande impacto nos organismos. Em geral, os animais que vivem nas regiões tropicais têm um metabolismo mais rápido e são de menor tamanho, enquanto os animais que vivem nas regiões polares têm um metabolismo mais lento e são de maior tamanho, a fim de se protegerem do frio. Alguns animais só podem viver nas regiões tropicais, enquanto outros só podem viver nas regiões polares. Por exemplo, na China durante o período Pleistocénico Médio, é possível distinguir claramente os animais da época em dois grupos: o grupo de animais que viviam no norte frio, representado pelo Homem de Pequim e o Elasmotherium, e o grupo de animais que viviam nas regiões tropicais e subtropicais da China, representado pelo Tigre Dente de Sabre e o Panda Gigante. Por exemplo, antes da chegada da terceira era glacial no final do Ordoviciano, os animais que cresciam eram de menor tamanho. Quando a era glacial chegou, a temperatura desceu drasticamente e o nível do mar desceu 50-100 metros, levando à extinção de muitos animais. Durante a longa era glacial que se seguiu, muitos animais adaptaram-se lentamente ao clima frio, aumentando o seu tamanho e formando grupos de animais específicos da era glacial, que eram muito diferentes dos que existiam antes da era glacial, sendo as suas diferenças facilmente identificáveis.