地球起源以来的约46亿年中，气候曾发生过多次巨大变化。现在人们还无法了解地球早期的气候状况，只能通过某些直接和间接的方法，推测约20亿年以来的气候变化。前寒武纪以来，至少出现过多次全球性的大冰期。
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。据H·弗洛恩估计，中生代时的年平均温度在两极附近为8～10℃，低纬度热带地区为25～30℃。 第四纪大冰期开始时间有很大争论，但多数人认为始于距今 200万年以前。第四纪气候是以大陆冰盖和中、高纬度山岳冰川为主要特征，统称为第四纪大冰期。在第四纪内，依据冰川覆盖面积的变化，可划分出几次冰期和间冰期。由于气候变化随地区的差异和研究方法的不同，各地划分的冰期有所不同。
第四纪中以里斯冰期的冰川作用最为强烈，当时地球有十分之二到十分之三的大陆面积为冰川覆盖（现在约为十分之一）。在亚洲，冰盖到达贝加尔湖附近。
冰期气温平均比现代低 8～10℃。间冰期气温比现代高，北极地区气温较现在高10℃以上，低纬度地区也较现在高5～6℃。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，极地冰原面积扩大，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，玉木冰期时的海平面比现代低约 100米。在间冰期最暖时期的海平面，可能比现代高出15～30米，甚至更高。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动。在间冰期时，冰川退缩，极地地区气温升高，气候带向高纬地区移动。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、北极鹿化石；在南高加索，从冰期地层里发现过猛犸象化石，这些都属于极地动物。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（约从1万多年前开始）,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。