Vitenskapelige undersøkelser har blitt gjort for å forstå fortiden og fremtidens klima ved hjelp av observasjoner og teoretiske modeller. Klimamålinger strekker seg langt tilbake i jordens fortid, og har blitt bygget opp basert på geologiske bevis fra borehull, temperaturprofiler basert på iskjerneprøver, observasjoner av flora og fauna, glasiale og periglasiale prosesser, isotopanalyser og andre analyser av sedimentlag, og registreringer av fortidens havnivå. Nyere data er skaffet tilveie ved instrumentelle målinger. Globale klimamodeller basert på geofysikk, brukes ofte i teoretiske tilnærminger for å sammenligne med fortidens klimadata, og gjøre prognoser for fremtidige endringer. Dessuten brukes modellene for å finne sammenheng mellom årsaker og virkninger i klimaendringene.