地質学的証拠は、岩が磨かれたり削られたりした跡（擦痕）や、そのような侵食作用を受けてきた独特の形状の岩（羊背岩など）、氷河末端や縁辺に堆積した角礫（モレーン）、独特の氷河地形（ドラムリン、氷河谷など）、ティル（氷礫土）やティライト（氷礫岩）等の氷河性堆積物など、様々な形で得られる。しかし、繰り返し起こる氷河時代が、それ以前の氷河時代の地質学的証拠を変形・消去することで、解釈を難しくしている。その上、これらの証拠は正確に年代を特定するのが難しく、初期の学説では、間氷期と比べると氷期は短かっただろうと考えられていた。海底堆積物コアと氷床コアの採取・解析による研究手法が出現すると、氷期は長く、間氷期は短いという、真の状況が明らかになったが、それでも現在の理論に到達するまでには時間がかかった。
化学的証拠は、主として堆積物や堆積岩および海底堆積物コアに含まれている化石中の同位体比の変化から得られる。直近の氷期の氷床コアについては、それに含まれる気泡から得られる氷および大気のサンプルから、気候（代替指標）を提供する。重い同位体を含んでいる水ほど蒸発熱が大きいため、より寒冷な環境ではその割合は減少する。これにより温度記録が構築される。しかし、この証拠は同位体比に記録された他の要因によって混乱させられることがある。
古生物学的証拠は、化石の地理的分布の変化から得られる。氷期の間は、寒冷な気候に適応した生物が低緯度地域に分布し、温暖な環境を好む生物は絶滅するか、または低緯度地域でかろうじて生き長らえるかである。この証拠も、次のような要件が整わないと解釈するのは難しい。まず、堆積物のが長い期間にわたり、広範囲の緯度に及び、そしてそれらを容易に相互に関連づけられること。次に、古代の生物が数百万年の間、変化することなく生き延び、それらの生物の温度選好が容易に診断できること。最後に、重要な関連のある化石が発見され、報告されていること。