古气候是指史前地质时期的气候。有别于历史时期气候，又称地质气候或地史气候，研究这一时期气候状况和变迁的学科称古气候学，主要依据古生物和地史资料等中得到的化石、沉积物、孢粉等信息推断气候的干湿和冷暖变化。[1]
地球气候变迁遗留的痕迹很早就被人们所注意。中国北宋时期的沈括通过对延州（今陕西省北部）化石的观察，提出在当时气候条件不宜竹类生长的延州，可能在“旷古以前，地卑气湿而宜竹”的观点。1686年，英国R·胡克根据波特兰角的海龟化石和巨大的菊石，认为该地过去气候曾经是比较温暖的。1840年，瑞典J·L·R·阿加西根据阿尔卑斯山的冰川堆积，第一次提出地球气候史上曾出现过冰期气候。20世纪初，德国A·彭克和E·布吕克纳著《冰川时期的阿尔卑斯山》，将阿尔卑斯山第四纪大冰期划分为4个冰期（后又划分成5个冰期）。20世纪以来，许多学者对古气候进行了研究。中国气象学家竺可桢曾对历史气候作了大量研究，他的《中国近五千年来气候变迁的初步研究》（1972年）一文受到国内外有关学者的普遍注意。[1]
地球上仪器观测的气候记录，最长不过二、三百年。有两类资料可以把气候记录延长到没有仪器观测的年代：一类是历史资料，如考古发掘文物、历史文献等；另一类是各种天然气候记录，包括树木年轮、地层中的生物化石、植物孢粉、各类沉积物的特征，以及各种自然地理因子变迁的痕迹等。这些天然气候记录有连续的，也有间断的，其适用的地理范围、研究的时期及在气候上的意义也都不相同。时期愈早，古气候记录愈少。
地质时期气候研究主要包括寻找古气候证据和确定证据年代（称为断代技术）两个步骤。前者采用地质学方法、地理学方法和同位素方法（物理学方法）等。地质学方法是根据生物生存条件、岩层和沉积矿床的形成与气候的关系，通过对地层中生物化石和沉积物等特性的研究，阐明地质时期气候在时间和空间上的分布和变化规律。例如：煤层的存在，可以推断为湿润气候；出现珊瑚礁，可推断为温暖气候；有石膏、岩盐，可推断为干燥气候。此外，通过地层中植物孢粉判别母体植物的种属，可推测过去的植被及其相应的气候。地理学方法主要是考察自然地理环境的变迁，如海平面的升降、河流和湖泊水位的变化、冰川和雪线的进退、沙漠和冻土以及森林等界限的推移，用以估计相应的气候演变。同位素方法是利用元素同位素含量和比值来推测过去气候的温度，其中以氧同位素方法应用最广。例如，利用氧同位素比值可以测定极地冰原不同冰层形成时的温度况。自然界的氧有氧-16、氧-17、氧-18三种同位素。在冰层形成时，气温越低，其中氧-16和氧-18的比值越高。因此，可以根据氧-16和氧-18比值的变化，了解第四纪海面温度的变化。氧同位素方法同样可用于测定钟乳石和树木年轮形成时的温度。利用碳-13和碳-14的比值，也可推测过去的温度，但应用不太广泛。