19世纪早期，古气候的研究材料主要来源于欧洲和北美。由于当时北美前寒武纪晚期冰川沉积尚未发现，所以认为整个地质时期的气候都是温暖的，直到第三纪气候才开始变冷，到第四纪更新世出现冰川。把高纬度地区指示温暖气候的沉积与化石，认为是热带或亚热带气候曾达到极地附近的证据。
19世纪后期至20世纪初期，在南大陆发现晚古生代冰碛物以后，地质学家不再把冰川看作是更新世特有的古气候现象。于是对高纬度地区曾存在温暖气候的事实产生了另一种解释，即地质时期古地理面貌与现在不同，各大陆及相对的极地曾发生过大规模的位移。这就是魏格纳大陆漂移说的基础之一。与此同时，先后有不少论述古气候的论著，从而奠定了古气候学的基础。
20世纪50年代以后，利用现代大气物理学研究成果，古气候学在研究方法、测试技术、古气候成因研究以及应用上都有较大的发展。还把地球的热平衡、辐射分布、大气环流、洋流、气候带等理论应用到古气候的研究中去。此外，还对影响古气候的地内和地外原因进行深入探讨。
另一重要的进展是根据氧同位素对古气温的测定。60年代以后，古代海洋和大陆温度定量恢复方法的发展，对第四纪大冰期陆、海、冰古地理的恢复，大气海洋一般环流模式及冰期气候的模拟，及地球轨道变化对气候的影响的研究等，使古气候学取得了很大发展。
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