人類文明出現以來尚無儀器觀測的歷史時期的氣候。其時間上限並無定論。通常，中國概指仰紹文化（西元前5000～前3000）以來的氣候，其他國傢指的是西元前4000年埃及文化出現以來的氣候。20世紀以來這方面的研究逐步展開，歐洲、日本學者作過許多探索，尤其以英國C.E.P.佈魯克斯最有成績。中國的系統研究始於20世紀20年代，為竺可楨所開創。
研究方法 利用歷史資料（考古發掘物和曆歷史文獻等）中關於氣候的證據，分析過去的氣候狀況，重建歷史氣候序列，繪制歷史氣候圖，並且研究歷史氣候的變化，為氣候預測提供依據。
考古發掘物如動物遺骸、江河湖海的水位遺跡或人工刻記、古木、植物孢粉、冰川遺跡等都可提供歷史氣候的信息。例如：中國由安陽殷墟（約公元前1400～前1100年殷代故都遺址）發掘的大量亞熱帶動物（獏、水獐、竹鼠等）的遺骸，而推知當時黃河流域氣候比現今溫暖潮濕；由四川涪陵長江岸邊的白鶴梁石魚水標和枯水題刻記載的自公元764年以來長江72個枯水年份的水位，可推知長江上遊流域降水狀況的變化；從古墓葬、古建築和考古發掘物所得的古木，可借助於年輪氣候學的分析方法來推斷古代的氣候。
歷史文獻如官方史書、宮廷檔案、方志、農書、類書、宗教案卷、航海日志、私人日記及文學作品中有著關於水旱、晴雨、冷暖以及風、雨、雪、霜、雹等的浩繁記載，系統地搜集、輯錄和鑒定這些材料，可編制各類氣候年表，也可將年表轉換成定量的氣候參數序列，如幹濕指數、冷暖指數、旱澇等級、寒凍頻率和冰凍次數等，以供分析氣候變遷的規律。
此外，一些物候記錄，如每年植物開花日期、作物收獲日期等，通過同現代的物候記錄對比，也可用來分析當時的氣候變化。
世界歷史氣候變遷 自公元前4000年以來，世界范圍的氣候經歷瞭多次冷暖幹濕的變遷。通過對文化發展較早或所獲得的氣候變遷證據較明顯的地區，如埃及尼羅河流域、歐洲和北極等地區的歷史資料的分析，可將世界歷史氣候變遷分為下述幾個時期：①大西洋期（公元前4050～前2650）。亦稱氣候適宜期。溫暖多雨，平均氣溫比現代高2.5℃，尼羅河洪水位比現代高12～20米，熱帶半雨區雨量約為現代的3倍。②亞北方早期(公元前2650～前2050)。氣候轉寒，以北極海的不凍水面結冰為標志，海平面低於現代約4米。③亞北方中期（公元前2050～前1500）。氣候轉暖，但次於大西洋期。④亞北方晚期（公元前1500～前750）。寒冷而幹燥，北歐連續出現嚴寒，尼羅河水位下降。⑤希臘時代（公元前750～前150）。暖而濕潤，北歐轉暖，出現山毛櫸林，南歐也較暖和，黑海水位比現代高3米。⑥羅馬時代（公元前150～公元350）。涼而幹，山嶽冰川一度擴展，塔裡木盆地邊緣和古絲綢之路沿線有豐富的井泉灌溉，出現許多繁榮的城鎮。⑦羅馬時代後期（350～700）。暖而幹，北歐長期幹暖，美國西南部幹旱，導致河流幹涸，黑海水位比現代低3米，古絲綢之路因幹旱而衰落，熱帶多雨潮濕。⑧8世紀(700～800)。西北歐轉冷，熱帶降雨減少。⑨次氣候適宜期(800～1200)。為近2000年最溫暖的時期。西北歐風暴減少，暖而幹，墨西哥熱而濕，尼羅河由於熱帶多雨而流量大增，落基山南部的雪線比現代約高366米，北極流冰的邊界遠比現代偏北。大約在公元900年，愛斯基摩人在極地定居。⑩中世紀寒冷期（1200～1450）。西北歐冷而濕，出現嚴酷的寒冬，裡海水面上升32米，美洲冷而幹，溫度低於多年平均值，尼羅河洪水水位低於平均值。⑪中世紀溫暖期(1450～1550)。出現世界性的海平面升高，赤道雨量豐富。⑫小冰期(1550～1890)。氣候轉冷，極冰強烈擴展，山地冰川推進，高山雪線下降，世界大部分地區陸上、海上的冰雪達到自上次冰期結束以來的最大值。17世紀的氣候最為惡劣，歐洲嚴冬次數和嚴寒程度都大為增加，潮濕、低溫的夏天造成作物歉收。中國也是一個嚴冬頻繁的時期。
上述的⑤、⑥、⑦和⑧又合稱亞大西洋期。
中國歷史氣候變遷 根據對歷史文獻和考古發掘材料等的分析，中國歷史時期的氣候變遷與世界歷史氣候變遷的趨勢大致相似。
近5000年的氣候變遷 若以溫度作為度量氣候變遷的指標，根據對歷史材料的分析可知：近5000年中的前2000年(即從仰韶文化時代到安陽殷墟時代)是一個溫暖的時期，大部分時間的1月份溫度比現今高3～5℃，這個時期的溫度波動情形還不很清楚，但已發現在距今4000年左右，氣候曾一度轉寒。近5000年中的後3000年內有一系列的冷暖波動，年平均氣溫波動幅度為2～3℃，有4次明顯的寒冷期，分別出現在公元前1000年前後（殷末周初）、公元400年前後（六朝）、公元1200年前後(南宋)和公元1700年前後（明末清初），在這4個時期之間的泰漢、隋唐和元代分別為溫暖時期。5000年間最溫暖的時期（殷墟時代），黃河流域綠竹繁茂，野象、犀牛出沒於林莽之間，年平均溫度比現今約高2℃左右。最冷時期如宋朝和明末，凜冽寒冬屢現，太湖、洞庭湖和鄱陽湖多次封凍，熱帶地區冰雪頻繁，江南柑橘和福建荔枝歷遭凍毀，年平均氣溫比現今約低1℃多。縱觀整個5000年的氣溫變化，總趨勢是逐漸變冷的（見圖）。一些野生動物棲息界限的南移，也反映瞭這種溫度變化的趨勢。例如：以公元前5000～前4000年間到公元前500年，喜暖的野象群活動北界在中國可達黃河中下遊；公元前500年至公元11世紀，野象群活動北界退縮到淮河－秦嶺一線，相當於現代亞熱帶的北界；11～19世紀前期，野象的活動已僅限於南嶺以南；19世紀中葉以後，野象群活動在中國隻限於雲南南部的西雙版納森林。其間比較大的變化發生在11世紀前後，這與用其他方法指出的氣候變冷轉折期大致是一致的。
1萬年來挪威雪線高度（實線）和近5000年來中國氣溫（虛線）變化
近500年的氣候變遷 近500年歷史材料最為豐富，根據對正史、方志、類書等史料中冷暖記載的分析，近500年間存在3次明顯的冷暖交替過程。大致說來，3次寒冷時段分別出現在公元1470～1520年、1620～1720年、1840～1890年；3次溫暖時段分別為1550～1620年、1770～1830年、1900～1950年。一些研究還指出，自20世紀60年代以來開始瞭第4次寒冷時段（見現代氣候變化）。對物候材料、果樹凍害和水稻種植記錄的分析結論也與此相符。在上述的冷暖時段中，還有更次一級尺度的波動。總的說來，近500年間氣溫波動振幅約為1.8～2.0℃，其中最冷10年的平均冬溫比現今低1℃多。
根據史料中有關旱澇的記載推斷幹濕狀況，發現幹濕變化有明顯的階段性。大致說來，16～17世紀是近500年來比較幹旱的時期，18～19世紀則比較濕潤，20世紀以來又趨向幹旱。
參考書目
張傢誠等編著：《氣候變遷及其原因》，科學出版社，北京，1976。
竺可楨著：《竺可楨文集》，科學出版社，北京，1979。
中央氣象局氣象科學研究院主編：《中國近五百年旱澇分佈圖集》，地圖出版社，北京，1981。
C.E.P.Brooks，Climate through the Ages，2nd ed.，Ernest Benn，London，1950.