Flere paleoklimatologiske studier har forsøkt å bestemme klimasensitivitet de siste millioner år. En artikkel publisert i tidsskriftet Nature i 2007 undersøker klimasensitiviteten i løpet av de siste 420 millioner år. Den globale gjennomsnittstemperaturen og konsentrasjonen av klimagasser ble undersøkt i denne meget lange perioden med sterke svingninger. Strålinspådriv fra solen økte over disse årene, ved at solkonstanten økte med omtrent 4 %, noe som er en god forutsetning for en estimering av klimasensiviteten med liten feilmargin. Det klimaarkivet som iskjerneprøver gir går ikke mer enn en million år tilbake i tid, og plasseringen av jordens landmassene har gjennomgått betydelige endringer i løpet av denne tiden. Derfor vil mange klimaparametere som finnes ut fra slike prøver ha stor usikkerhet. Dette gir en relativt usikkerhet på 1,5 °C som den nedre grense og 6,2 °C som den øvre grenseverdien, samt 2,8 °C som det beste estimatet.