În timp ce activitatea umană de la Revoluția Industrială din anii 1700 a propulsat încălzirea globală recentă, există și schimbări climatice naturale care au loc ca urmare a schimbărilor atmosferice normale. De obicei, schimbările climatice se referă la o schimbare susținută a vremii pe tot globul, deși poate fi limitată la o regiune. Schimbările naturale ale climei pot fi cauzate de mai mulți factori sau forțari climatice, inclusiv tectonica plăcilor, variațiile oceanului, înclinarea planetei, fluctuațiile orbitale și modificările producției solare.
În timp ce oamenii de știință au înregistrat schimbările climatice începând cu anii 1800, variațiile anterioare ale vremii trebuie să fie culese din istoriile orale, documentele scrise și dovezile arheologice. Oamenii de știință folosesc adesea ghețarii ca o lentilă asupra schimbărilor climatice naturale din trecut, datând când un ghețar a avansat, indicând o perioadă de frig sau retras, indicând o perioadă de căldură. Probele de miez de gheață aruncă, de asemenea, lumină asupra vremii antice, oferind informații despre cantitatea de dioxid de carbon care se afla în atmosferă la un moment dat. Fosilele de plante, animale, insecte și polen pot fi, de asemenea, folosite pentru a data ciclurile climatice, deoarece anumite specii supraviețuiesc în condiții diferite. Aceste dovezi indică un ciclu climatic marcat de epoci de gheață și perioade de căldură care se încadrează în timpurile preistorice.
Un motiv important pentru schimbările climatice naturale poate fi atribuit tectonicii plăcilor și derivării continentale. Chiar sub scoarțele oceanice și continentale, sau partea de Pământ pe care oamenii o pot vedea, se află un strat rigid al Pământului, numit litosferă. Litosfera este împărțită în plăci care se deplasează pe un strat mai profund, mai fierbinte și mai fluid. Aceste plăci provoacă restructurarea masei de uscat, în special la granițele unde plăcile se pot măcina, provocând cutremure, se pot îndepărta unele de altele, provocând cutremure și puncte fierbinți geotermale sau se ciocnesc cu altele, provocând cutremure, lanțuri muntoase, vulcani și tranșee oceanice. Această restructurare mută masele de pământ dintr-o regiune a lumii în alta, schimbă vântul și curenții oceanici și produce vulcani, toți factori care pot duce la schimbări climatice naturale regionale sau globale.
Erupțiile vulcanilor provoacă un efect de răcire asupra Pământului. Pe măsură ce vulcanul erupe, ejectează cenușă și dioxid de sulf în atmosferă. Acest material creează o pătură în atmosferă care este distribuită pe tot globul prin mișcarea vântului. Cenușa și dioxidul de sulf împiedică lumina soarelui să pătrundă în atmosferă și să încălzească Pământul. Fără această lumină solară, Pământul începe să se răcească.
Aceasta diferă de gazele cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, care lasă liber lumina soarelui să treacă prin atmosferă până la suprafața Pământului, dar blochează luminii să se întoarcă în spațiu, provocând un efect de încălzire. Activitățile umane au cauzat o creștere a emisiilor de dioxid de carbon și o scădere a capacității Pământului de a elimina dioxidul de carbon din atmosferă.
Efectele combinate ale variațiilor poziției Pământului față de Soare contribuie, de asemenea, la schimbările climatice naturale. Pe parcursul anului, Pământul își schimbă înclinarea, astfel încât capătul său nordic este spre Soare pentru aproximativ jumătate din an și capătul sudic este către Soare pentru cealaltă jumătate, provocând variații climatice sezoniere. Axa sau linia pe care Pământul se înclină și se rotește, de asemenea, se modifică foarte ușor în timp pentru a pune unele zone ale Pământului în lumina solară mai directă decât altele. În plus, orbita Pământului se schimbă de-a lungul anului, astfel încât este mai aproape de Soare și de căldura acestuia în unele momente ale anului decât în altele.
Circulația termohalină în oceanele Pământului, cunoscută și sub denumirea de bandă transportoare oceanică, are, de asemenea, un impact asupra schimbărilor climatice naturale. În general, circulația termohalină este reprezentată de curenți oceanici adânci care transportă căldură în diferite părți ale lumii. Acest proces este în mare măsură condus de mase inegale de dens și mai puțin dens care încearcă să se stabilizeze. Schimbările în această circulație modifică modul în care căldura este distribuită pe Pământ și cât de mult dioxid de carbon este capabil să elimine oceanul din atmosferă.