La paléoclimatologie s’appuie notamment sur l’analyse de carottes prises dans les sédiments marins, ainsi que dans les glaces en Antarctique et au Groenland.
L’évolution des températures moyennes est reconstituée sur plusieurs centaines de milliers d’années au moyen de traceurs (notamment avec le deutérium, l’oxygène 16 et 18, l’argon 40 et le CH4).
Ces analyses mettent en évidence une succession de périodes glaciaires et interglaciaires.
Le rôle d’amplification du réchauffement joué par le CO2 (principalement dans l’hémisphère nord) peut aussi être mis en évidence.