大约6500万年前，地球的两极是没有冰的，从那时到现在的这段时间，地球经历了冰的生成(在所谓的冰期)以及冰的溶化(间冰期)。人们认为在最后的200万年里，冰河至少出现和消失了10次并导致随之而来的冷暖气候的交替。
解释这一冰的形成及消失的理论之一是20世纪30年代由塞尔维亚数学家米路丁·米兰柯维奇创立的，米兰柯维奇认为地球的冰期同地球运动的周期性变化相关联，这种变化决定了不同纬度日照的数量，因而影响冰盖的形成。
这些变化包括：地球的轨道每10万年从略微的椭圆形变成近乎圆形；地球是如何像一个自转的陀螺摆动的，用23000年的时间划过一整圈；地球的倾角——每经过41000年——同垂直线的角度从218°到244°。三个圆的变化的共同作用，被认为是地球最近的气候变迁模式——10万年的冰期间有一万年的间冰期——的最近乎合理的解释。根据这一理论，我们现在生活的这个间冰期即将进入尾声，而离下一个冰期也许仅有1000年之遥。
许多气候变化是在比10万年短得多的时间范围内发生的，欧洲的气候曾经是温暖而又非常稳定的，殖民者可以在格陵兰岛的南岸扎根，葡萄园可以在英格兰繁茂生长，但是大约800年前，欧洲气候变得风暴多起来了。
海洋冰层向赤道方向延伸，冬天冷暖无常，洪涝和干旱时有发生。寒冷的高峰期出现在人们后来所知的小冰期，约从1450～1850年。在这一时期，漫长、严酷的冬天和短暂、潮湿的夏天毁掉了格陵兰岛葡萄园和北欧海盗殖民地。尤其是1816年，被认为是没有夏天的一年：欧洲的七八月份出现了可怕的霜冻。随之而来的是饥荒。
19世纪末，地球的平均气温连续上升了几年，但是20世纪40年代又出现了普遍的降温；20世纪70年代，又出现了升温，并在1979～1999年间出现了本世纪最热的8年。在这段时间里，解释这一明显加速的升温趋势的理论有许多，像“全球变暖”、“急剧变化的温室效应”及“臭氧层变薄”这样的说法也越来越多。尽管科学界仍在争论原因，但人们普遍认为地球正处于一个非常温暖的阶段。
被认为同气候变迁有联系的一个因素是太阳黑子。大约每22年，这些巨大的磁暴的数量达到最大值，这时太阳要发出比最少时多出01％的太阳能量。太阳黑子活动的减少已被认为与小冰期中最冷的时期——蒙德极小期(1645～1716)——有关，当时几乎没有观测到太阳黑子。当太阳循环处于最大值时，大量的高能辐射被释放，增加了大气层上层臭氧的数量。增多的臭氧使上层大气升温，影响着平流层的气流向下运动，气候就这样在全球范围内被改变了，尽管还不足以造成急剧的全球气温变化。
