Selama beberapa dekade, ahli paleoklimatologi telah meneliti bagaimana suhu bumi berubah selama berabad-abad sebelum tahun 1850. Suhu bumi telah berfluktuasi secara alami selama ratusan juta tahun. Perubahan masa lalu ini dapat membantu kita memahami hubungan antara suhu, gas rumah kaca, dan pendorong iklim lainnya saat ini. Beberapa perubahan suhu dan komposisi atmosfer yang paling jelas tercatat di inti es selama hampir 1 juta tahun. Bumi telah mengalami siklus zaman es yang dipisahkan oleh periode interglasial hangat kira-kira setiap 100.000 tahun. Ini terutama didorong oleh "goyangan" reguler di orbit Bumi, yang memengaruhi jumlah radiasi matahari yang mencapai Bumi. Selama permulaan periode interglasial, pemanasan membutuhkan waktu sekitar 5000 tahun untuk menyelesaikannya.

Pemanasan yang signifikan dimulai di Antartika dan beberapa ratus tahun kemudian pemanasan tersebut menyebabkan peningkatan karbondioksida (CO2), terutama melalui proses lautan. Deglasiasi belahan bumi utara mengikuti peningkatan CO2. Oleh karena itu, peningkatan CO2 berkontribusi pada penguatan (umpan balik positif) di sebagian besar pemanasan. Lapisan es juga menimbulkan umpan balik. Perubahan suhu yang diamati dan laju perubahan selama periode glasial-interglasial tidak dapat disimulasikan tanpa perubahan CO2 atau luas es yang diamati.

Meskipun setiap catatan suhu proxy berbeda, semuanya menunjukkan pola variabilitas suhu yang serupa selama 500 hingga 2000 tahun terakhir. Istilah Periode Hangat Abad Pertengahan dan Zaman Es Kecil menggambarkan dua zaman iklim masa lalu di Eropa dan wilayah sekitarnya. Zaman Es Kecil adalah periode pendinginan yang terjadi setelah Periode Hangat Abad Pertengahan. Jadi, selama ribuan tahun yang lalu telah terjadi periode yang lama dengan kondisi yang agak lebih hangat dan lebih dingin. Yang paling mencolok adalah fakta bahwa setiap catatan proxy mengungkapkan peningkatan tajam dalam laju atau tingkat spasial pemanasan sejak pertengahan abad ke-19 hingga awal abad ke-20. Catatan menunjukkan suhu beberapa dekade terakhir adalah yang terhangat dalam seluruh catatan.