自地球形成以来，大气环境一直处于变化之中。既有物质成分的变化，也有气温冷暖和干湿的交替变化。大气环境变化的时间尺度有长有短，有的可长达几亿年的变化周期，而有的只有几年或几天的变化周期。
在气候冷暖的变化过程中，我们一般把地球上气候极其寒冷（比现今年平均温度可低8～12℃）、高纬冰川和高山冰川扩展的阶段称冰期。两个冰期之间气候相对温暖（与现代的气温接近或高一些）的阶段称间冰期。冰期只占地球历史的1/10时间，而绝大部分时期为间冰期。总体来说，地球的大气环境主要是处于温暖的阶段中的。在太古宙的晚期，地球上就出现了寒冷的气候，开始发育冰川。在元古宙，有过多次冷暖的交替波动。到新元古代的震旦纪时期，全球发育了第一次规模较大的冰川活动，通常称为第一次大冰期。当时我国南方地区就发育了冰川。此后，地球经历了长达3.3亿年的温暖时期。在晚古生代（石炭纪至二叠纪），地球又进入第二次大冰期，这次以南半球发育大量冰川为特征。在整个中生代，全球的气候都比较温暖，有的地区显得干燥。全球性的第三次大冰期发生在第四纪。我们现在就处于这次大冰期中。
虽然第四纪是处在整体寒冷气候的背景下，但在期间还存在着次一级冷暖气候波动，这种波动的频率和幅度较前几个时期都大。根据冰碛物、深海沉积物、冰心、黄土等研究，又可划出多个次一级的冰期和间冰期，如在欧洲的阿尔卑斯山地区从早到晚可分为拜伯冰期、多脑冰期、民德冰期、里斯冰期和雨木冰期，中国的东部地区可划分为鄱阳冰期、大姑冰期、庐山冰期和大理冰期。
近百余年来，由于有了大量的气温观测记录，这为研究区域和全球的气温变化提供了更为确实可靠的资料。由这些资料得到的总的气温变化趋势是：从19世纪末到本世纪40年代，世界气温曾出现明显的波动上升现象；本世纪40年代到60年代，世界气候有变冷的趋势；进入70年代后，世界气候又趋变暖，到80年代后气温增暖的形势更为突出。据威尔森（H.Wilson）和汉森（J.Hansen）研究，全球年平均气温从1880～1940年60年中增加0.5℃， 1940～1965年降低了0.2℃，然后从1965～1993年又增暖了0.5℃。
导致气候变化的因素是多样的，包括太阳辐射的变化、地球轨道要素的改变、太阳活动、地形变化、大气环流等等。事实上，气候变化往往是诸多因子共同作用的结果。未来气候变化可能有两种趋势。其一是由于化石燃料的使用，使大量CO2进入空气中，由于CO2阻止了地面经太阳辐射加温后以长波（红外）辐射形式散发返回空间的热量，使地表增温。由此，到下个世纪中叶气温将明显升高，届时极地冰川融化，将带来一系列的环境问题。其二是现在气候正逐渐变冷，来自CO2的影响可能使气候变冷的趋势减弱，但不能阻止目前正在形成中的冰期。在研究现代气候变化时，特别要注意人类活动对气候的影响。由于人口的急速增长，自然资源受到严重破坏，导致了沙漠化、水土流失和气候反常，也带来了城市气候问题。因此必须综合分析研究才能掌握气候变化规律，推测未来气候的变化，更好地为生产建设和人类生活服务。