A múltbéli éghajlatok tanulmányozásával foglalkozó tudományág, amely segít megérteni a Föld klímájának hosszú távú változásait.
Kutatói különféle módszerekkel rekonstruálják a múlt klímáját, például jégmagminták, üledékek, fosszíliák, barlangi cseppkövek, fák évgyűrűi, valamint a korallok vizsgálatával. A módszertanról részletesen itt lehet olvasni.
A paleoklimatológia feltárta, hogy a Föld klímája számos jelentős változáson ment keresztül a földtörténet során. Az éghajlat korszakai közé tartozik a meleg üvegházidőszakok (pl. a kréta időszak) és a hideg jégkorszakok (pl. a pleisztocén). A szén-dioxid-szint ezekben a korszakokban jelentősen változott: a kréta idején elérte az 1000–2000 ppm-et, míg a jégkorszakok alatt akár 180–200 ppm-re is csökkent. Az ipari forradalom előtti szint körülbelül 280 ppm volt, míg a mai szint meghaladja a 420 ppm-et.
Ezek az adatok segítenek jobban megérteni, hogyan reagál a klímarendszer a szén-dioxid változásaira, és milyen hatásai lehetnek a jelenlegi éghajlatváltozásnak.