指現代氣候以前的氣候，包括歷史氣候和地質時期氣候(見氣候變遷)。在地質學上，指地質時期氣候。古氣候的研究，在地理學和氣象學上，對於瞭解氣候變遷、現代氣候的形成、自然地理環境的演變有重要作用；在地質學上，對於地層劃分和對比，地殼演化研究以及礦產資源成因和探測都有指導意義。
研究簡況 地球氣候變遷遺留的痕跡很早就被人們所註意。中國北宋時期的沈括通過對延州（今陝西省北部）化石的觀察察，提出在當時氣候條件不宜竹類生長的延州可能在“曠古以前，地卑氣濕而宜竹”的觀點。1686年，英國R.胡克根據波特蘭角的海龜化石和巨大的菊石，認為該地過去氣候曾經是比較溫暖的。1840年，瑞典J.L.R.阿加西根據阿爾卑斯山的冰川堆積，第一次提出地球氣候史上曾出現過冰期氣候。20世紀初，德國A.彭克和E.佈呂克納著《冰川時期的阿爾卑斯山》，將阿爾卑斯山第四紀大冰期劃分為4個冰期(後又劃分成5個冰期)。20世紀以來，許多學者對古氣候進行瞭研究。中國竺可楨曾對歷史氣候作瞭大量研究，他的《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》(1972)一文受到國內外有關學者的普遍註意。
研究方法 地球上儀器觀測的氣候記錄，最長不過二、三百年。有兩類資料可以把氣候記錄延長到沒有儀器觀測的年代：一類是歷史資料，如考古發掘物、歷史文獻等；另一類是各種天然氣候記錄，包括樹木年輪（見年輪氣候學）、地層中的生物化石、植物孢粉、各類沉積物的特征，以及各種自然地理因子變遷的痕跡等。這些天然氣候記錄有連續的，也有間斷的，其適用的地理范圍、研究的時期及在氣候上的意義也都不相同。時期愈早，古氣候記錄愈少。
地質時期氣候研究主要包括尋找古氣候證據和確定證據年代（稱為斷代技術）兩個步驟。前者采用地質學方法、地理學方法和同位素方法（物理學方法）等。地質學方法是根據生物生存條件、巖層和沉積礦床的形成與氣候的關系，通過對地層中生物化石和沉積物等特性的研究，闡明地質時期氣候在時間和空間上的分佈和變化規律。例如：煤層的存在，可以推斷為濕潤氣候；出現珊瑚礁，可推斷為溫暖氣候；有石膏、巖鹽，可推斷為幹燥氣候。此外，通過地層中植物孢粉判別母體植物的種屬，可推測過去的植被及其相應的氣候。地理學方法主要是考察自然地理環境的變遷，如海平面的升降、河流和湖泊水位的變化、冰川和雪線的進退、沙漠和凍土以及森林等界限的推移，用以估計相應的氣候演變。同位素方法是利用元素同位素含量和比值來推測過去氣候的溫度，其中以氧同位素方法應用最廣。例如，利用氧同位素比值可以測定極地冰原不同冰層形成時的溫度狀況。自然界的氧有氧－16、瘍-17、氧-18三種同位素。在冰層形成時，氣溫越低，其中氧-16和氧-18的比值越高。因此，可以根據氧-16和氧-18比值的變化，瞭解第四紀海面溫度的變化。氧同位素方法同樣可用於測定鐘乳石和樹木年輪形成時的溫度。利用碳-13和碳-14的比值，也可推測過去的溫度，但應用不太廣泛。
斷代技術是確定各種證據形成的順序和年代。可分為相對斷代和絕對斷代。相對斷代隻說明證據在形成時間上的新老順序，主要依據古生物方法加以劃分，如孢粉斷代、地層學斷代等。絕對斷代是明確給出證據形成的絕對年代，主要是根據巖石中放射性同位素蛻變產物的含量加以測定的。
歷史氣候研究主要利用歷史文獻和考古發掘物中關於氣候的證據，分析歷史時期的氣候狀況。
氣候史 地球起源以來的約46億年中，氣候曾發生過多次巨大變化。現在人們還無法瞭解地球早期的氣候狀況，隻能通過某些直接和間接的方法推測約20億年以來的氣候變化。前寒武紀以來，至少出現過多次全球性的大冰期。
一般認為，對地質時期溫度的估計從中生代（距今2.3～0.67億年）起才比較可靠。據H.弗洛恩估計，中生代時的年平均溫度在兩極附近為8～10℃，低緯度熱帶地區為25～30℃。
新生代（距今約6700萬年以來）氣候的主要特征是中緯度溫度緩慢地下降（見圖），而熱帶地區卻無明顯變化。它導致南極洲冬季降雪，山嶽冰川逐漸增加，大洋底水溫下降。大約在距今500萬年以前，南極地區已出現冰蓋。到250萬年前，北半球冰島等地區也開始出現山嶽冰川，以後格陵蘭等地的現代冰川又相繼形成。於是，地球氣候逐漸進入到一個新的大冰期，即第四紀大冰期。
新生代以來中緯度氣溫變化
第四紀大冰期開始時間有很大爭論，但多數人認為始於距今200萬年以前。第四紀氣候是以大陸冰蓋和中、高緯度山嶽冰川為主要特征，統稱為第四紀大冰期。在第四紀內，依據冰川覆蓋面積的變化，可劃分出幾次冰期和間冰期。由於氣候變化隨地區的差異和研究方法的不同，各地劃分的冰期有所不同（見冰期）。
第四紀中以裡斯冰期的冰川作用最為強烈，當時地球有十分之二到十分之三的大陸面積為冰川覆蓋（現在約為十分之一）。在亞洲，冰蓋到達貝加爾湖附近。
冰期氣溫平均比現代低8～10℃。間冰期氣溫比現代高，北極地區氣溫較現在高10℃以上，低緯度地區也較現在高5～6℃。冰期和間冰期溫度的巨大變化，導致其他氣候要素和自然地理因子的變化：①雨帶分佈的變化。冰期時，極地冰原面積擴大，極地反氣旋增強，極地高壓帶向中、低緯度地區擴展，迫使行星極鋒帶移至中、低緯度地區，導致中、低緯度地區低氣壓活動頻繁，雨量充沛，湖水面積擴大。例如，亞洲中部、非洲北部和中部、北美洲西部等，在冰期時均為濕潤地區，但在間冰期時，上述地區的氣候常很幹燥。②雪線的升降。冰期時，全球山嶽雪線普遍下降，大多數山嶽雪線下降1000～1400米，熱帶地區雪線下降700～900米。③海平面的升降。冰期時，地球表面的水相當大的一部分形成巨大冰蓋而留在陸地上，海平面因此降低。例如，玉木冰期時的海平面比現代低約100米。在間冰期最暖時期的海平面，可能比現代高出15～30米，甚至更高。④生物群落的遷移。在冰期時，冰川擴張，氣候帶向低緯度地區移動。在間冰期時，冰川退縮，極地地區氣溫升高，氣候帶向高緯地區移動。與氣候帶相應，生物群落也隨之南北遷移。例如：克裡米亞（裡斯冰期）的地層裡發現過北極狐、北極鹿化石；在南高加索，從冰期地層裡發現過猛獁象化石，這些都屬於極地動物。在間冰期，北冰洋沿岸有虎、麝香牛等喜溫動物群活動。
冰後期（約從1萬多年前開始），全球氣溫逐漸上升，冰川覆蓋的面積相應縮小，海平面隨之上升，地球氣候又進入較為溫暖的時期。