气候变迁的证据可以从各方面看出来，从19世纪中叶，就有全球大气温度变化的记录，再早的情况虽然没有直接的记录，但可以依据间接的来源确定，如植被分布、积冰层的研究、古树的年轮、海平面变化、冰川地质学等。
考古学研究
楼兰从古代人类分布、农业生产的方式、考古的发现、口头传说和历史文献中，可以发现历史上气候变迁的情况，气候变迁曾经造成多个文明的毁灭。
楼兰古国突然消亡至今仍是未解之谜，许多学者认为自然环境的变迁导致了楼兰文明被黄沙掩埋，气候因素是摧毁古楼兰文明的元凶。
早在2000多年前就已见诸文字的古楼兰王国，在丝绸之路上作为中国、波斯、印度、叙利亚和罗马帝国之间的中转贸易站，当时曾是世界上最开放、最繁华的地方之一。然而，公元500年左右，它却突然从中国史册上神秘消失，成为难解之谜。古楼兰王国位于新疆塔里木盆地，曾是中西交通的枢纽，楼兰文明的突然灭绝给世人敲响了警钟。
冰川
南极沃斯托克站冰层研究检测出过去45万年中二氧化碳、温度和尘埃变化情况。冰川能显现出气候变迁的明显证据，当气候变冷时，冰川范围扩大，气候变暖时冰川收缩。冰川的变化会将影响气候的因素放大，同时也对自然造成影响。20世纪70年代，根据高空摄影，已经对全球的冰川情况完成详细的记录，记录了覆盖24万平方千米的大约10万个冰川，以前的估计全球冰川覆盖面积应该是约44.5万平方千米，世界冰川监测所每年收集冰川萎缩和物质平衡的数据，根据数据证实，全世界冰川在20世纪20年代和70年代是处于扩大状态，在40年代曾经萎缩，从80年代中期到现在又处于萎缩状态。物质平衡数据显示冰川物质已经连续17年处于消失状态。
20世纪时阿尔卑斯山冰川变化图最重要的气候变迁是上新世中晚期（约300万年前）的冰河期和间冰期循环，最近的一次间冰期（全新世）已经延续了约11700年，表现在陆地的冰盖变化和海平面的涨落。
植被
植被的变化也反映了气候的变迁情况，哪怕气候微小的变化，如果造成温度和降水增加，植物生长茂盛，会固定二氧化碳。如果气候急剧变化，会导致植物死亡和土地沙漠化。
植被与气候之间的相互作用主要表现在2个方面，植被对于气候的适应性与植被对于气候的反馈作用。植物生态学的观点认为：主要的植被类型表现着植物界对于主要气候类型的适应，每个气候类型或分区都有一套相应的植被类型。为此，气候—植被分类研究一直得到植物学、生态学、气候学、地理学等方面的高度重视。另一方面，不同的植被类型通过影响植被与大气之间的物质（如水、二氧化碳等）和能量（如太阳辐射、动量和热量等）交换来影响气候，改变的气候又通过大气与植被之间的物质和能量的交换作用对植被的生长产生影响，始终可能导致植被类型的变化，预测未来气候变化的大气环流模式。不同的植被类型对于大气环流和降水的影响非常明显，只有将动态的植被类型引入大气环流模式，才能提高大气环流模式对于该区域气候预测的准确性，从而更准确地评估气候变化对该区域陆地生态系统的影响。用于模拟植被与近地面层大气之间这种相互作用的模型是大气环流模式中的陆地表面模型。该模型模拟了土壤、植被、大气系统的能量、水分和动量通量。但是，现有的陆地表面模型是以研究区域给定的植被类型和土壤特征为基础，忽略了对气候系统有重要影响的植被类型的潜在变化，即只考虑了现实植被类型对气候系统的影响，没有反映气候的改变对植被类型的影响以及植被类型的改变对于气候产生的反馈作用，而且现有的大气环流模式都是基于全球植被类型分布图，对中国植被类型的描述非常粗糙，难以准确地预测中国的气候。
我国位于欧亚大陆东南部季风气候区，幅员辽阔，地形结构特别复杂，具有从寒温带到热带，从湿润到极端干旱的不同气候带（区）。以生物地理学为基础的植被气候区划图，基于植物的生态生理限制和资源限制来预测不同气候下的植物生活型植被类型，较好地模拟了中国植被现状。
该植被气候区划图是气候—植被分类模型模拟结果。此模型以多年月均温和月降水数据为基础，通过有关生态气候参数的转换，尽可能地考虑到热量与水分的季节性、有效性、累积性与临界值，以及一些特殊性（如高山条件）对植被类型与分布的决定性作用，使模拟的植被类型分布不仅适用于中国实际的植被分布情况，并可能全面地适应于计算模拟全球陆地的生物群区。
冰层
对冰层钻探分析，例如对南极冰层的分析，可以发现大气温度和海平面的历史变化情况；对封冻在冰层气泡中的气体研究，也可以发现历史大气的二氧化碳含量变化情况；对研究古代和现代大气状态的区别提供了非常有价值的信息。
北极的冰层，反射80%的太阳光热量，能够稳定海洋温度维持低温。如果冰层融化不足够反射阳光，海洋就会升温，冰层加速度融化，后果将是灾难性的！
我们正居住在一个急速变暖的星球上。美国宇航局2007年12月卫星资料显示，北极冰层的厚度比以前减少了23%。航海资料则显示北极冰层比20世纪50年代减少了50%。年轮其他破纪录资料显示，格林兰表面冰层融化的速度大于15年前的4倍；北极冰层表面温度是77年记录史上最高的。气候科学家齐瓦利博士预测：北极冰层将在2012年夏天融冰季节结束前完全融化。
树轮年代学
树轮年代学是根据树的年轮研究古代气候变迁的学科，宽的年轮证明当时气候湿润，适合植物生长，窄的年轮证明当时气候条件不好，不利于植物生长。
孢粉分析
孢粉学是研究当代和化石植物孢子和花粉的学科，根据孢粉化石可以分析古代植物种类的分布情况，不同种类的植物花粉形状、结构、表面状态都不同，花粉表面含有弹性物质，可以抵御腐蚀，在河流、湖泊、沼泽等不同时代的沉积层中发现的花粉化石，可以确定植物分布的变化情况，由此推测当地的气候条件变化。
昆虫
在不同时期沉积物中经常发现昆虫的化石，研究昆虫种类的变化也可以推测当时气候条件的变化。
海平面变化
用检潮仪可以检测海平面的变化情况，现在常用高度计和人造卫星轨道结合测量海平面的变化，海平面的涨落是大气温度变化和冰川融化造成的。
季风
季风，由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风，称为季风。形成季风最根本的原因，是由于地球表面性质不同，热力反映有所差异引起的。由海陆分布、大气环流、大地形等因素造成的，以一年为周期的大范围的冬夏季节盛行风向相反的现象。