Учёные могут изучать климат прошлого по геологическим слоям и окаменелостям. Что касается геологических слоёв, то если в них обнаруживаются толстые отложения ледников, это говорит о существовании ледникового периода; если же наблюдается глобальное снижение уровня моря и значительное расширение суши, это также свидетельствует о ледниковом периоде. В холодном климате на сушу выпадает больше снега, который не тает и не стекает в океан, а вода испаряется в меньших количествах, в результате чего уровень моря постоянно снижается. Согласно эхолокации, объём льда в Антарктике сегодня составляет около 27×10^6 кубических километров. Такое количество воды, превратившейся в лед, привело бы к снижению уровня моря на 65–75 метров. Кроме того, изменения климата прошлого можно определить с помощью анализа изотопов кислорода и углерода в геологических слоях. Поскольку климат связан с парниковыми газами, такими как углекислый газ, изучение состава изотопов кислорода и углерода в геологических слоях позволяет понять, как в то время происходил углеродный цикл. Например, систематическое измерение изменений изотопов кислорода и углерода в толстых слоях жёлтого песка, длинных сталактитах, толстых отложениях на дне океана и толстых ледяных кернах в Антарктике позволяет получить данные о постепенных изменениях климата за миллионы лет.
Что касается окаменелостей, они также помогают узнать о климате прошлого. Климат оказывает большое влияние на живых существ. Как правило, животные, обитающие в тропиках, имеют более быстрый метаболизм и меньшие размеры тела, в то время как животные в умеренных широтах имеют более медленный метаболизм и большие размеры тела для защиты от холода. Некоторые животные могут жить только в тропиках, а другие — только в умеренных широтах. Например, в Китае в эпоху плейстоцена можно чётко разделить животных, обитавших в холодных северных регионах, представленных такими видами, как пекинский человек и лохматый олень, и животных, обитавших в тропических и субтропических регионах, представленных такими видами, как саблезубый тигр и гигантская панда. Кроме того, до прихода третьего ледникового периода в конце ордовикского периода животные, жившие в то время, были меньшего размера. Когда ледниковый период наступил, температура резко упала, уровень моря снизился на 50–100 метров, и многие животные вымерли. В течение последующего долгого ледникового периода многие животные постепенно адаптировались к холодному климату, их размеры увеличились, и они сформировали уникальную фауну ледникового периода, которая сильно отличалась от фауны до ледникового периода, и их отличия легко можно заметить.