Paleoklimatalogie is die studie van die voortdurend wisselende klimatologiese toestande gedurende die lang geskiedenis van die aarde. Dit is 'n vakgebied wat aan die geologie en die klimatologie grens en wat veral van geologiese en paleontologiese, maar dikwels ook van suiwer teoretiese, gegewens gebruik maak. Daar is oortuigende bewyse dat alle gebiede op aarde vroeër totaal ander klimaatstoestande gehad het as wat tans die geval is.
Daar kan aangeneem word dat die verspreiding van fauna en flora toe, net soos nou, deur onder meer klimatologiese faktore bepaal is en dat fossiele dus as aanduiding van die verskynsel kan dien. Die vergelyking van fossiele organismes met oorblywende lewende soorte word meestal slegs ten opsigte van die jongste geologiese verlede gedoen. Bowendien moet 'n mens dan nog steeds met omsigtigheid te werk gaan, want by uitsterwende groepe (soos byvoorbeeld olifante, familie Elephantidae) kon die laaste verteenwoordigers 'n beperkter gebied bewoon het as hulle voorgangers. In die laaste ystyd het olifante soos die mammoete (genus Mammonteus) byvoorbeeld nog in 'n koue klimaat gewoon.
Vir ouer geologiese periodes moet 'n mens op ander gegewens staatmaak. So byvoorbeeld kan aangeneem word dat warm, vlak see van vroeg af reeds nodig was vir die vorming van koraalriwwe deur korale en ander groepe, soos onder meer sponse (orde Stromatoporaidae), uit die Paleosoïkum. Ook uit die blaarvorme van landplante word belangrike in rigting verkry. In warm streke het baie plantsoorte relatief gladde blaar- rande en, tesame met die feit dat fauna - en floraspesies van die pote na die ewenaar toeneem, kan dit as teorie dien by die bepaling van klimaatverskuiwing. Op hierdie manier is daar byvoorbeeld vasgestel dat die temperatuur voor die begin van die Ystyd in Wes-Europa geleidelik afgeneem het.
Wat gesteentes betref, was kalkgesteentes waarskynlik altyd beperk tot warm en meestal vlak see, soos tans byvoorbeeld in die Persiese Golf. Die oplosbaarheid van kalk hang trouens af van die hoeveelheid opgeloste CO2, en die oplosbaarheid van albei is laer by hoër temperature. In Wes-Europa bestaan daar dik kalklae uit die Devoon, Onder-Karboon, Jura en Kryt, wat 'n aanduiding van 'n warm temperatuur is. By 'n ondersoek van ondergrondse materiaal van byvoorbeeld Noordwes-Europa word onder meer die volgende gesteentes daar aangetref: soute uit die Perm en Trias, wat ontstaan het deur die verdamping van seewater in 'n droë, warm klimaat; steenkool uit die Karboon en bruinkool uit die Tersiêr, wat in 'n vogtige klimaat gevorm is.
Naas fossiele en gesteentes kan ou verwerings- en bodemhorisonne ook kenmerke vertoon wat veral deur klimatologiese faktore (temperatuur en neerslag) bepaal is. Die feit dat bodemvorming op die kontinente aan erosie blootgestel is, veroorsaak egter dat ou klimatologiese getuienis dikwels uitgewis word. Naas genoemde metodes maak die klimatologie teenswoordig ook gebruik van die verhouding tussen die suurstofisotope O-16 en O-18 in fossiele kalkskelette, wat varieer na gelang van temperatuur tydens vorming.
Uitgestorwe lede van die Cephalopoda (verwant aan seekatte en die nautilus) het byvoorbeeld aangetoon dat daar in die Jura in Skotland temperature van tussen 15 en 21°C geheers het. Hierdie tegniek is ook toegepas op die ysvelde in Groenland en Antarktika, waardeur klein klimaatswisselings in die jongste verlede opgespoor is. 'n Rekonstruksie van vroeëre klimaatgordels word bemoeilik deur die verplasing wat die kontinente in die verlede ten opsigte van mekaar ondergaan het.
Die groot en langdurige klimaatsveranderinge moet dan ook nie op grond van veranderinge as sodanig verklaar word nie, maar aan die hand van die wegdrywing van 'n kontinent uit een klimaatgordel na 'n ander. Tog is daar wat wêreldwye klimaatsveranderinge betref, voldoende bewyse gevind, soos byvoorbeeld die afwisseling van ystye met interglasiale periodes in die Ystydperk. Die wisseling kan verklaar word deur 'n kombinasie van faktore:
Verandering in die rigging, vorm en uitgestrektheid van die kontinente en seë (kontinentskuiwing, die vorming en afbraak van gebergtes) sou die oseaniese en atmosferiese sirkulasie sterk beïnvloed het.
Veranderinge in die atmosferiese samestelling, veral die CO2-gehalte, is van belang. CO2 neem byvoorbeeld toe deur vulkaniese aktiwiteit en af by weelderige plantegroei (wat gelei het tot veen- en steenkoolvorming).
Vulkaniese aktiwiteit veroorsaak dat minder sonlig die aardoppervlak bereik, omdat dit afgeskerm word deur die verhoogde roetkonsentrasie in die boonste lae van die atmosfeer. Gevolglik neem die tempo van plante se fotosintetiese aktiwiteit af, wat 'n wanbalans tussen die suurstof (O2) en koolstofdioksied (CO2) veroorsaak. Dit gebeur omdat plante minder CO2 uit die lug opneem en gevolglik minder O2 produseer, terwyl die O2- verbruik oor die res van die gebied dieselfde bly. Baie plante en baie lig het verhoogde totale fotosintetiese aktiwiteit tot gevolg en bewerkstellig daardeur die teenoorgestelde effek:
Veranderinge in die baan van die aarde om die son.
Veranderinge in die sonenergie; hiervan is weinig bekend, maar derglike veranderinge blyk reëlmatig voor te kom, moontlik omdat 'n wolk kosmiese stof 'n gedeelte van die energie onderskep.