Morenele şi formele de relief glaciar au furnizat date despre existenţa unei glaciaţiuni trecute.
Descoperirea ulterioară a solurilor şi a depozitelor conţinând faună de climă caldă sub sau între situri glaciare şi pietrişuri fluviale indică faptul că, în Pleistocen, climatul a alternat între perioade glaciare reci şi interglaciare calde.
În majoritatea regiunilor de la latitudini mijlocii şi mari, condiţiile din timpul perioadelor interglaciare erau similare cu cele de astăzi, chiar dacă la apogeul lor, temperaturile puteau fi cu până la 2°C mai ridicate decât cele actuale.
Este evident că ne găsim spre sfârşitul unei perioade interglaciare (Holocenul), şi cursul firesc al climei terestre ne conduce spre o fază glaciară majoră în următorii aproximativ 25.000 de ani.
Aceasta, bineînţeles, fără a lua în calcul încălzirea provocată antropic, care pare să dea naştere unei perioade „suprainterglaciare” înainte ca temperaturile să scadă.
Nivelul concentraţiei de dioxid de carbon a crescut din cauza arderilor de combustibili fosili, despăduririlor etc., iar nivelul metanului a crescut din cauza cultivării intense a orezului, creşterii intensive a animalelor etc.
În ultimii 1000 de ani au fost identificate două fluctuaţii climatice majore. Acestea pot fi descrise ca Optimul climatic medieval din jurul anului 1200 şi Mica glaciaţiune medievală, care se pare că a afectat perioada dintre secolulul al XVI-lea şi al XIX-lea. Acestor două fluctuaţii le-ar putea fi adăugată acum o a treia: încălzirea din secolul XX.
Faţă de mijlocul secolului al XIX-lea se remarcă o încălzire a suprafeţei planetei cu 0,45±0,5°C. Aceasta încălzire nu a fost continuă nici în timp, nici în spaţiu.
Au existat două perioade de încălzire globală relativ rapidă: prima, 1910-1940, şi apoi a doua, începând de la mijlocul deceniului al optulea până în prezent, precedate fiecare de două sau trei perioade de relativă constanţă (1860-1900) sau de uşoară scădere (1940-1970) a temperaturilor.
Discontinuitatea spaţială a încălzirii globale este evidentă şi atunci când se analizează cele două emisfere: ele nu s-au încălzit şi nu s-au răcit la unison. Analizând seriile de temperatură din cele două emisfere pe axe separate, se remarcă faptul că există perioade în care s-a încălzit doar emisfera nordică (1911-1930) sau doar emisfera sudică (1940-1970).
Mozaicul spaţial şi temporal de încălziri şi răciri devine mai complicat când analiza temperaturilor se efectuează la scări regionale mai mici. De exemplu, între 1931-1960 şi 1961-1990, o mare parte din Atlanticul de Nord şi nord-vestul Europei s-au răcit de 0,3°C, în timp ce pe o suprafaţă extinsă din Rusia continentală s-a constatat o încălzire cu peste 0,6°C.
Este posibil ca o parte a recentei încălziri să reflecte încetarea condiţiilor Micii glaciaţiuni medievale. Totuşi, încălzirea de aproximativ 0,45°C faţă de mijlocul secolului al XIX-lea este pusă pe seama efectului de seră.