Les carottes glaciaires sont extraites en forant dans les calottes polaires ou les glaciers. Elles permettent d'analyser les couches de glace accumulées au fil des ans, chaque couche représentant une année ou une saison de précipitations neigeuses. Les bulles d'air emprisonnées dans la glace préservent une trace directe de la composition de l'atmosphère à l'époque de leur formation. En mesurant les concentrations de différents gaz, comme le dioxyde de carbone ou le méthane, et en analysant les isotopes d'oxygène présents, les scientifiques peuvent reconstituer les températures terrestres passées ainsi que les niveaux de gaz à effet de serre.

Ces carottes glaciaires sont cruciales pour comprendre les cycles climatiques naturels et les variations de température à long terme. Elles servent aussi à identifier des périodes de réchauffements ou de refroidissements abrupts, comme les événements de Younger Dryas ou les Glaciations Quaternaires.

Les sédiments marins et ceux des fonds de lacs contiennent des archives naturelles du climat passé sous forme de couches successives de particules déposées au fil du temps. Les analyses de ces sédiments permettent d'accéder à des informations sur la composition chimique historique de l'eau, les températures de surface, et même les vents dominants à travers l'étude des grains de pollen ou de spores transportés par le vent.

Les arbres forment de nouveaux anneaux de croissance chaque année, dont l'épaisseur dépend des conditions climatiques comme la température et les précipitations. Une série d'anneaux de croissance peut ainsi révéler des informations sur les variations climatiques année après année. La dendrochronologie, étude des anneaux de croissance, permet de dater précisément des événements climatiques majeurs et d'analyser les tendances climatiques à l'échelle régionale.

Comprendre comment le climat a changé au cours des millénaires est essentiel pour cerner les mécanismes sous-jacents à ces variations. Les cycles de Milankovitch, qui sont des variations dans l'orbite terrestre, affectent de manière significative la distribution de l'énergie solaire sur Terre et expliquent par exemple les glaciations. D'autres facteurs, tels que les éruptions volcaniques ou les activités solaires, ont également joué des rôles dans les transformations climatiques à grande échelle.

Les études paléoclimatiques permettent aussi de fournir des données de base pour les modèles climatiques utilisés pour prédire les futurs changements climatiques. En perfectionnant et en validant ces modèles grâce aux données du passé, les scientifiques sont mieux équipés pour anticiper l'impact des activités humaines sur le climat futur.