地质时期的气候情况，我们只能根据间接的标志去研究。如根据某一地质时代的岩石性质、古老的土壤、地形以及古生物化石，还可以用放射性碳C14含量来推断地质时期气候状况等等。在某一地区中如发现冰碛石、冰擦痕、漂石等，这就是寒冷时期冰川活动的证明；黑龙江地区的灰化土下面埋藏有古红色土，可推知古代那里曾经有过炎热的气候；如果在现代沙漠地区发现有干涸河谷地形和湖岸线的遗迹，就表示该地是由湿润气候转变为沙漠的。生物化石是说明地质时代气候状况的良好根据，如果有马匹或走禽的化石，表示这里曾是草原气候；猿猴化石表示曾出现过森林气候；在格陵兰曾发现温带气候的树叶遗物，证明这里曾有过温暖的时期；苏联的乌克兰曾发现古代棕榈的遗迹，证明那里曾出现过热带气候。
通过上述方法对地层沉积物的广泛分析，证实整个地质时期地球气候曾经历了巨大的变化，反复有过几次大冰期，其中最近的三次大冰期（即震旦纪大冰期、石炭—二迭纪大冰期和第四纪大冰期）为科学家所公认，在三次大冰期之间为温暖的大间冰期气候。寒冷的冰期同温暖的间冰期相比是短暂的，在整个地球气候史中，大部分时期（占90％以上年代）为温暖气候，比现在温和。
震旦纪大冰期，发生在距今约六亿年以前。亚、欧、非、北美和澳大利亚的大部分地区，都发现了冰碛层，说明这些地方曾发生过具有世界规模的大冰川气候。我国东部和中部广大地区，也有震旦纪冰碛层，说明这里也曾经历过寒冷的大冰期。
寒武纪—石炭纪大间冰期，距今约3～6亿年，当时整个世界气候都比较温暖。特别是石炭纪是古气候中典型的温和湿润气候，森林面积极广，最后形成丰富的煤矿，树木也缺少年轮，说明气候具有海洋性特征。在我国石炭纪时期全处在热带气候条件下，但到石炭纪后期，从北到南出现湿润带、干燥带和热带三个气候带。
石炭—二迭纪大冰期，距今2～3亿年，主要是在南半球，北半球除印度外，目前尚未找到可靠的冰川遗迹，当时我国气候仍有温暖湿润气候带、干燥气候带和炎热潮湿气候带三个气候带。
三迭—第三纪大间冰期，距今约200万年～2亿年。整个中生代气候温暖，到新生代的第三纪世界气候更趋暖化，格陵兰也有温带树种。三迭纪时期，我国西部和西北部普遍为干燥气候；到侏罗纪，我国地层普遍分布着煤、粘土和耐火粘土等，说明当时是在湿润气候控制之下。侏罗纪后期到白垩纪是干燥气候发展的时期，当时我国曾出现一条明显的干燥带，西起天山、甘肃，南伸至大渡河下游到江西南部，都有干燥气候条件下的石膏发育。到了第三纪，我国的沉积物大多带有红色，说明当时气候比较炎热。第三纪末期，世界气温普遍下降，整个北半球喜热植物逐渐南退。
第四纪大冰期，约始于200万年前。大冰期中仍然是冷暖干湿交替出现的，当寒冷时期，即亚冰期，气温比现代气温平均约低8～12℃，高纬度地区为冰川覆盖，如最大的一次亚冰期（里斯冰期），世界大陆有十分之二、三的面积为冰川所覆盖。当时北半球有三个主要大陆冰川中心，即斯堪的纳维亚冰川中心，其冰流曾南伸到北纬51°左右；格陵兰冰川中心，其冰流也曾南伸到北纬38°左右；西伯利亚冰川中心，冰层分布于北纬60°～70°之间，有时可达北纬50°附近的贝加尔湖。冰川扩张，气候带南迁，生物群落也随之南移，如里斯冰期时，北方动物南迁，在克里木的旧石器时代（距今25万年以前）地层中曾发现过北极狐和北极鹿化石。