Le climat global de la Terre connaît des modifications plus ou moins cycliques de réchauffements alternant avec des refroidissements qui diffèrent par leur durée (de quelques milliers à plusieurs millions d'années) et par leur amplitude. Depuis 60 millions d'années, la Terre connaît un refroidissement général, avec l'apparition de la calotte glaciaire antarctique il y a 35 millions d'années et de la calotte glaciaire de l'hémisphère nord il y a 4 millions d'années.
Depuis 800 000 ans, le climat terrestre connaît plusieurs cycles de glaciation et de réchauffement, d'environ 100 000 ans chacun. Chaque cycle commence par un réchauffement brutal suivi d’une période chaude de 10 000 à 20 000 ans environ, appelée période interglaciaire. Cette période est suivie par un refroidissement progressif et l'installation d’une ère glaciaire. À la fin de la glaciation, un réchauffement brutal amorce un nouveau cycle. Nous vivons actuellement depuis plus de 10 000 ans dans une période interglaciaire, et l'actuelle évolution climatique se place par rapport au réchauffement naturel postérieur à la dernière glaciation.
Grâce à l'étude des carottages de glace et plus précisément de l'analyse de la composition isotopique de l'oxygène piégé dans la glace, les températures atmosphériques des cycles glaciaires de l’ère quaternaire ont pu être reconstituées4. La carotte glaciaire la plus profonde a été forée dans le cadre du projet Epica, en Antarctique, à plus de 3 500 mètres de profondeur et permettant de remonter l'histoire du climat en Antarctique jusqu'à 800 000 ans5. Les carottes de glace contiennent des bulles d'air et des indications sur la teneur en gaz de l'atmosphère d'autrefois. Certains croient que ceci montre que les températures globales sont liées à la quantité de gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère mais il faut bien faire attention à ne pas confondre cause et effet. En effet, 90 % de l'effet de serre étant produit par la vapeur d'eau et les nuages, cela ne prouve