地球的氣候在所有時間尺度上都發生了變化，其中包括遠在人類活動能夠發揮作用之前。在認識這些氣候變化的 成因和機制方面取得了很大的進展。地球輻射平衡的變化是過去氣候變化的主要驅動因素，但這些變化的原因各不相 同。任何一種情況，無論是冰期、恐龍時代的暖期或是過去1千年中的波動，其具體原因都必須單獨確定。在許多情 況下，現在已經能夠很有信心地確定其成因，利用各種量化模式可以重建許多過去的氣候變化過程。
全球氣候是由地球輻射平衡所決定的(見氣候變遷問答1.1)。有三種基本途徑可以改變地球的輻射平衡，從而導 致氣候變化：(1)改變射入的太陽輻射(例如，地球軌道或太陽自身的變化)；(2)改變太陽輻射的反射率(該反射率 稱之為反照率，它可以通過雲層的變化、被稱為氣懸膠的顆粒物或陸地層等來改變)；(3)改變輻射回空間的長波的能 量(例如，通過改變二氧化碳的濃度)。此外，局地氣候也取決於風和洋流如何分佈熱量。所有這些因素都在過去的氣 候變化中發揮了作用。
圖1。驅動冰期的週期(米蘭科維奇週期)的地球軌道變化示意圖。“T”表示地軸傾斜度的變化，“E”表示離心力的變化 (由於橢圓軌道短軸的變化引起)，“P”代表歲差，即以軌道上某一特定軌道位置上，地軸傾斜方向的變化。出處： Rahmstorf和Schellnhuber(2006)。
從冰期開始到過去近300萬年的週期中，有充分的證據顯示，這些變化與地球圍繞太陽的軌道的週期變化有關，這 些週期也即所謂的米蘭科維奇週期(圖1)。這些週期改變了每個緯度每個季節接收的太陽輻射(但幾乎對全球年平均值 沒有影響)，我們可以以天文精度計算出這些週期。目前仍就冰期具體從何時開始和結束進行討論，但有許多研究顯示， 北半球各大洲夏季日照至關重要：如果低於某個閾值，過去冬季的雪在夏季就不會融化，隨著越來越多的雪積累下來， 冰原就開始增厚。氣候模式的類比結果證實冰期的確可以這樣開始，同時還利用一些簡單的概念模式在軌道變化的基礎 上成功地“事後預報(hindcast)”了過去冰期的開始。與前幾個冰期的開始相類似，下一次北半球夏季日射的大幅減少 將在3萬年後開始。
大氣中的二氧化碳(CO2)雖然不是首要原因，但它在冰河期也起了重要的作用。南極冰芯資料顯示，二氧化碳在寒 冷的冰川時代濃度很低(~190ppm)，在溫暖的間冰期濃度要高(~280ppm)，大氣CO2隨著南極氣溫的變化而變化，滯 後期約有幾百年。由於從冰期開始到結束的氣候變化持續數千年，這些變化多數是受到二氧化碳正反饋的影響；即：由 於米蘭科維奇週期最初引發的小幅冷卻隨著二氧化碳濃度下降而被放大。只有在考慮到二氧化碳作用的情況下，冰期氣 候的模擬才能產生令人滿意的結果。
在上個冰期發生了20起突變的和劇烈的氣候變遷，在北大西洋周邊的記錄中尤為突出。這些變遷不同於冰川間冰期 的週期，在此週期內沒有大的全球平均溫度變化：格陵蘭和南極的變化不同步，在南大西洋和北大西洋呈相反方向。這 意味著已經不需要全球輻射平衡的重大變化就能引發上述變遷；在氣候系統中的熱量重新分佈就足以觸發變遷。事實上 有確鑿的證據顯示，海洋環流和熱輸送的變化可以解釋很多這些突發事件的特徵；沉積物資料及模式類比顯示其中一些 變化可能是由那個時代環繞大西洋的冰原不穩定性及與之相關的淡水釋放到海洋所觸發的。
在過去的5億年期間，氣候歷史上也曾發生過偏暖的時期，地球可能完全沒有冰原(地質學家可從岩石上的冰葉標跡 予以判別)，而不像今天的格陵蘭和南極被冰原覆蓋。追溯到過去1百萬年以上的有關溫室氣體的資料，即超過南極冰芯 年代的資料，仍有相當大的不確定性。但對地質採樣的分析顯示無冰暖期與大氣中二氧化碳高濃度相吻合。在百萬年時 間尺度上，二氧化碳濃度的變化是由於地殼構造活動引起的，它影響到海洋和大氣與固體地球的CO2交換。
過去氣候變化的另一個可能的原因是太陽能量輸出的變化。最近幾十年的觀測顯示太陽能量輸出在11年的週期中有 略有變化(接近0.1%)。太陽黑子觀測(可追溯到17世紀)以及從宇宙輻射產生的同位素資料證明了太陽活動的長期變化。 資料相關性和模式類比結果均顯示，在工業化時代開始前的1百萬年中，太陽變化和火山活動有可能是導致氣候變異的首 要原因。
這些例子說明過去不同的氣候變化都有不同的原因。自然因素在過去引起氣候變化的事實並不意味著目前的氣候變 化是自然的。如此類推，森林火災長期以來一直是自然界雷擊造成的，但並不意味著火災不可能是由一位粗心的露營者 引發。氣候變遷問答2.1討論了與自然影響相比，人類如何引起最近的氣候變化。