在地质史的几十亿年中，全球规模冰雪覆盖的扩展和退缩相互交替，有时大陆上覆盖着很大面积的冰原和冰川，气候寒冷，这时期称为冰期（又可称大冰期）；冰原或冰川以较大幅度向低纬度地区推进时，也称为冰期。介于两个冰期之间的比较温暖的时期，冰川消融退缩，称为间冰期。这种寒暖波动的时间尺度大约为106～108年。前寒武纪以来，90%以上的时间，两半球的极地无冰。但全球至少出现过三次大冰期，比较公认的有：前寒武纪大冰期（距今约6亿年以前）、石炭-二叠纪大冰期（距今2～3亿年）和第四纪大冰期（距今200～300万年至1～2万年）。在前寒武纪，还可能有另外的大冰期，但因资料不足，尚无法判断。　一般认为，对地质时期温度的估计，从中生代（距今2.3～0.67亿年）起才比较可靠。那时的年平均气温在两极附近为8～10°C，赤道为25～30°C。　第三纪气候 　第三纪（距今0.67亿年至200～300万年）的主要气候特征是：中纬度地区气温缓慢降低（见图），大约在1400万年前，地球上的气温急剧下降，在南极首先出现了冰盖，在250万年前，冰岛出现过山岳冰川，紧接着北半球高纬度地区也形成冰盖。第四纪气候 　第四纪从距今约二三百万年开始直到现在。第四纪气候以极地冰川和中高纬度地区的山岳冰川的覆盖为主要特征，又称第四纪大冰期。在第四纪内，依冰川覆盖面积的变化，可划分出几次冰期和间冰期。它们的冰盖范围，分别占陆地表面积的30%和10%左右。但是在各大陆上的冰期中，冰川发育程度有很大的差别。例如，欧洲大陆冰盖曾达到北纬48°，而亚洲北部西伯利亚冰盖的规模较小，只达到北纬60°。中国无大型冰盖，但西部山地，如阿尔泰山、天山、祁连山、贡嘎山、玉龙山、四川西部和青藏高原等，却发育了山岳冰川。由于气候变化随地区的差异和研究方法的不同，各地划分的冰期数有所不同。例如：在欧洲，阿尔卑斯山地第四纪大冰期被划分成多瑙、贡兹、民德、里斯、武木五个冰期；在中国西南的喜马拉雅山地区，划分出希夏邦马、聂聂雄拉、珠穆朗玛三个冰期；在中国东部地区，李四光曾划分出鄱阳、大姑、庐山、大理四个冰期。但中国各地第四纪冰期的划分尚无定论，有人认为中国东部在第四纪根本没有冰川活动。第四纪的冰期和间冰期的温度振幅，海上约为6°C，这是从北大西洋热带海域分析海底岩心所得到的。除北极区海域稍高外，其他大洋区均略低于此数。间冰期的北大西洋热带海域较现代高1°C。大陆上的温度波动较大，在冰盖的边缘地区如欧洲，约为12°C，但高山雪线处则为4～6°C。冰期和间冰期温度的巨大变化，导致其他气候要素和自然地理因子的变化:①雨带分布的变化。冰期时，冰盖面积扩大，极地反气旋增强，极地高压带向中、低纬度地区扩展，迫使行星极锋带（见锋、急流）移至中、低纬度地区，导致中、低纬度地区低气压活动频繁，雨量充沛，湖水面积扩大。例如，亚洲中部、非洲北部和中部、北美洲西部等，在冰期时均为湿润地区。但在间冰期时，上述地区的气候常很干燥。②雪线的升降。冰期时，全球山岳雪线普遍下降，大多数山岳雪线下降1000～1400米，热带地区雪线下降700～900米。③海平面的升降。冰期时地球表面的水，相当大的一部分形成巨大冰盖而留在陆地上，海平面因此降低，例如武木冰期，海平面比现代低约100米。在间冰期最暖时期的海面，可能比现代高出15～30米，甚至更多。④生物群落的迁移。在冰期时，冰川扩张，气候带向低纬度地区移；间冰期时，冰川退缩，极区气温升高，气候带向高纬地区移。与气候带相应，生物群落也随之南北迁移。例如，克里米亚（里斯冰期）的地层里发现过北极狐、北极鹿；在南高加索，从冰期的地层里发现过猛犸象化石，这些都属于极地动物。而在间冰期，北冰洋沿岸有虎、麝香牛等喜温动物群活动。冰后期气候 　冰后期距今一万多年，全球气温逐渐上升，冰川覆盖的面积相应缩小，海平面随之上升，地球气候又进入较为温暖的时期（见历史气候）。