Le climat global de la Terre a de tout temps connu des modifications, suivant différents cycles climatiques de réchauffement puis de refroidissement, qui diffèrent par leur durée (de quelques milliers à plusieurs millions d'années), mais aussi par leur amplitude.
Par exemple, on a pu étudier les climats récents de l’ère quaternaire (de -1,8 million d'années à aujourd'hui), en effectuant des carottages de glace en Antarctique, qui permettent de descendre, jusqu'à plus de 3 500 mètres de profondeur[3]. Ceci permet de ramener à la surface des glaces vieilles de plusieurs centaines de milliers d'années. La composition isotopique de l'oxygène de la glace permet de reconstituer les températures atmosphériques depuis une période qui remonte jusqu'à -750 000 ans[4].
Le climat de la Terre a traversé plusieurs cycles de réchauffement et de refroidissement planétaire durant les 400 000 dernières années. Plusieurs cycles de 100 000 ans environ se sont répétés au cours de cette période. Ces cycles commencent par un réchauffement brutal suivi d’une période chaude de 10 000 à 20 000 ans environ, appelée période interglaciaire. Cette période est suivie par un refroidissement progressif et l'installation d’une ère glaciaire. À la fin de la glaciation, un réchauffement brutal amorce un nouveau cycle. Nous sommes actuellement dans une période interglaciaire et ce, depuis plus de 10 000 ans (voir figure).
Les variations du climat sont corrélées avec celles de l'insolation, des paramètres de Milanković, de l'albédo, des cycles solaires et des concentrations dans l'atmosphère des gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et des aérosols. Les carottes de glace contiennent des bulles d'air et des indications sur la teneur en gaz de l'atmosphère d'autrefois, ce qui montre que les températures globales sont liées à la quantité de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.