19世紀早期，古氣候的研究材料主要來源于歐洲和北美。由于當時北美前寒武紀晚期冰川沉積尚未發現，所以認為整個地質時期的氣候都是溫暖的，直到第三紀氣候才開始變冷，到第四紀更新世出現冰川。把高緯度地區指示溫暖氣候的沉積與化石，認為是熱帶或亞熱帶氣候曾達到極地附近的證據。

　　19世紀后期至20世紀初期，在南大陸發現晚古生代冰磧物以后，地質學家不再把冰川看作是更新世特有的古氣候現象。于是對高緯度地區曾存在溫暖氣候的事實產生了另一種解釋，即地質時期古地理面貌與現在不同，各大陸及相對的極地曾發生過大規模的位移。這就是魏格納大陸漂移說的基礎之一。與此同時，先后有不少論述古氣候的論著，從而奠定了古氣候學的基礎。

　　20世紀50年代以后，利用現代大氣物理學研究成果，古氣候學在研究方法、測試技術、古氣候成因研究以及應用上都有較大的發展。還把地球的熱平衡、輻射分布、大氣環流、洋流、氣候帶等理論應用到古氣候的研究中去。此外，還對影響古氣候的地內和地外原因進行深入探討。

　　另一重要的進展是根據氧同位素對古氣溫的測定。60年代以后，古代海洋和大陸溫度定量恢復方法的發展，對第四紀大冰期陸、海、冰古地理的恢復，大氣海洋一般環流模式及冰期氣候的模擬，及地球軌道變化對氣候的影響的研究等，使古氣候學取得了很大發展。

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