मौसम के प्रत्यक्ष रिकॉर्ड केवल पिछली एक या दो शताब्दियों तक ही उपलब्ध हैं। पुराजलवायु विज्ञान प्राकृतिक अभिलेखों का अध्ययन करके जलवायु रिकॉर्ड को समय में पीछे की ओर विस्तारित करता है। बर्फ के नमूने, वृक्ष वलय, तलछट की परतें, प्रवाल कंकाल और जीवाश्म परागकण अतीत के तापमान, वर्षा और वायुमंडलीय संरचना के बारे में जानकारी संरक्षित करते हैं।

वैज्ञानिक इन प्रॉक्सी को निकालते हैं और आधुनिक मापों के आधार पर उनका कैलिब्रेशन करते हैं। परिणामस्वरूप प्राप्त पुनर्निर्माण हिमयुगों, गर्म अंतरहिमनदीय काल और मानव उपकरणों के अस्तित्व में आने से बहुत पहले घटित हुए अचानक जलवायु परिवर्तनों को प्रकट करते हैं। बर्फ के बुलबुलों से प्राप्त ग्रीनहाउस गैसों की सांद्रता दर्शाती है कि वर्तमान स्तर सैकड़ों-हजारों वर्षों में अभूतपूर्व हैं।

प्राचीन जलवायु संबंधी आंकड़े जलवायु मॉडलों की वर्तमान परिस्थितियों से भिन्न परिस्थितियों का अनुकरण करने की क्षमता का परीक्षण करते हैं। ये आंकड़े हाल के परिवर्तनों की असामान्यताओं का आकलन करने के लिए संदर्भ भी प्रदान करते हैं। इस क्षेत्र में भूविज्ञान, रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान और वायुमंडलीय विज्ञान का समावेश है।

• प्राकृतिक अभिलेखागारों के माध्यम से प्राचीन जलवायु का अध्ययन करता है।
• इसमें बर्फ के नमूने, पेड़ के छल्ले और तलछट का उपयोग किया जाता है।
• तापमान और ग्रीनहाउस गैसों का पुनर्निर्माण करता है
• आधुनिक परिवर्तन के लिए दीर्घकालिक संदर्भ प्रदान करता है