直接氣象記錄僅涵蓋過去一兩個世紀。古氣候學透過解讀自然檔案，將氣候記錄向前追溯。冰芯、樹木年輪、沉積層、珊瑚骨骼和化石花粉都保存著過去氣溫、降水和大氣成分的資訊。

科學家提取這些替代指標，並將其與現代測量數據進行校準。由此重建的結果揭示了冰河時期、溫暖的間冰期以及遠在人類儀器出現之前發生的劇烈氣候轉變。冰泡中溫室氣體的濃度表明，目前的濃度水平是數十萬年來前所未有的。

古氣候資料檢驗氣候模式模擬與當今不同氣候條件的能力，也為判斷近期氣候變遷的異常程度提供了背景資訊。該領域融合了地質學、化學、生物學和大氣科學。

• 利用自然檔案研究古代氣候
• 利用冰芯、樹木年輪、沉積物
• 重建溫度和溫室氣體
• 為現代變革提供長期背景