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，如考古發掘文物、歷史文獻等；另一類是各種天然氣候記錄，包括樹木年輪、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布和變化規律。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，可推斷為干燥氣候。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況。自然界的氧有氧－16、氧-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，了解第四紀海面溫度的變化。氧同位素方法同樣可用于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�？煞譃橄鄬啻徒^對斷代。相對斷代只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于氣候的證據，分析歷史時期的氣候狀況。
我國有大量的歷史時期天文學、氣象學和地球物理學現象的可靠記載，許多古文獻中有著臺風
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