科學家可以透過地層和化石來了解古代氣候。首先從地層方面來說，若發現地層中有厚厚的冰川沉澱物，就表明曾經有冰期存在；若發現全球海平面大規模下降，陸地大幅拡大，同樣表明冰期存在。在寒冷的气候下，落到陸地上的雪越來越多，不會融化成水流入大海，而海水蒸發得越少，海平面就會不斷下降。根據回声探測，目前南極的冰約有 27×10^6 立方千米。如此大量海水凝結成冰，會導致海平面下降 65～75 米。此外，还可以通過測量地層中的氧碳同位素來確定古代氣候的變化，因為氣候與二氧化碳等温室氣體有關，測量地層沉澱物中的氧碳同位素組成，可以了解當時的碳循环情况。極厚的黄土層、極長的石筍、海底極厚的沉澱物以及南極極厚的冰芯等，系统測量它們的氧碳同位素變化，就可以掌握數百萬年來古代氣候逐漸変化的數據。
再說化石方面，通过化石也可以了解古代氣候的變化。氣候對生物的影响很大。一般來說，生活在熱帶的動物新陳代謝速度較快，身體都比较小；而生活在寒带的動物新陳代謝速度較慢，且为了御寒身體都比较大。有些動物只能生活在熱帶，有些只能生活在寒帶。比如在更新世中期的中國，就可以明顯地將當時的動物分為：生活在寒冷北方以北京猿人—肿骨鹿為代表的動物群，生活在南方熱帶、亞熱帶的剑齿虎—大熊猫動物群。又如，在奧陶紀晚期第三次大冰期來临之前生長的動物個體都比较小，冰期來临時，温度骤降，海平面下降了50～100米，許多動物灭亡了；在接下來很長的冰期中，許多動物慢慢適應了寒冷的气候，它们的身體都變得比较大，形成了特有的冰期動物群，与冰期前的明显不同，它們之間的差異很容易辨別出來。