Sementara aktivitas manusia sejak Revolusi Industri pada 1700-an telah mendorong pemanasan global baru-baru ini, ada juga perubahan iklim alami yang terjadi sebagai akibat dari perubahan atmosfer normal. Biasanya, perubahan iklim mengacu pada perubahan cuaca yang berkelanjutan di seluruh dunia, meskipun dapat terbatas pada suatu wilayah. Perubahan iklim alami dapat disebabkan oleh beberapa faktor, atau kekuatan iklim, termasuk lempeng tektonik, variasi laut, kemiringan planet, fluktuasi orbit, dan perubahan output matahari.
Sementara para ilmuwan telah mencatat perubahan iklim sejak 1800-an, variasi cuaca sebelumnya harus diperoleh dari sejarah lisan, dokumen tertulis, dan bukti arkeologis. Para ilmuwan sering menggunakan gletser sebagai lensa pada perubahan iklim alami di masa lalu, penanggalan ketika gletser maju, menunjukkan mantra dingin, atau mundur, menunjukkan periode kehangatan. Sampel inti es juga menjelaskan cuaca kuno dengan memberikan informasi tentang jumlah karbon dioksida yang ada di atmosfer pada waktu tertentu. Fosil tumbuhan, hewan, serangga, dan serbuk sari juga dapat digunakan untuk menentukan tanggal siklus iklim, karena spesies tertentu bertahan hidup dalam kondisi yang berbeda. Bukti ini menunjukkan siklus iklim yang ditandai oleh zaman es dan periode kehangatan yang mencapai jauh ke masa prasejarah.
Salah satu alasan penting untuk perubahan iklim alami dapat dikaitkan dengan lempeng tektonik dan pergeseran benua. Tepat di bawah kerak samudera dan benua, atau bagian Bumi yang dapat dilihat manusia, terdapat lapisan Bumi yang kaku, yang disebut litosfer. Litosfer terbagi menjadi lempengan-lempengan yang bergerak di atas lapisan yang lebih dalam, lebih panas, dan lebih cair. Lempeng-lempeng ini menyebabkan restrukturisasi daratan, terutama pada batas-batas di mana lempeng-lempeng dapat bergesekan, menyebabkan gempa bumi, menjauh satu sama lain, menyebabkan gempa bumi dan hotspot panas bumi, atau bertabrakan satu sama lain, menyebabkan gempa bumi, pegunungan, gunung berapi, dan palung samudera. Restrukturisasi ini memindahkan daratan dari satu wilayah dunia ke wilayah lain, mengubah arus angin dan laut, dan menghasilkan gunung berapi, semua faktor yang dapat menyebabkan perubahan iklim alami regional atau global.
Letusan gunung berapi menyebabkan efek pendinginan di Bumi. Saat gunung berapi meletus, ia menyemburkan abu dan belerang dioksida ke atmosfer. Bahan ini menciptakan selimut di atmosfer yang didistribusikan ke seluruh dunia melalui gerakan angin. Abu dan belerang dioksida menghalangi sinar matahari menembus atmosfer dan menghangatkan Bumi. Tanpa sinar matahari ini, Bumi mulai mendingin.
Ini berbeda dari gas rumah kaca, seperti karbon dioksida, yang dengan bebas membiarkan sinar matahari melewati atmosfer ke permukaan bumi, tetapi menghalangi cahaya untuk kembali ke luar angkasa, menyebabkan efek pemanasan. Aktivitas manusia telah menyebabkan peningkatan emisi karbon dioksida dan penurunan kemampuan bumi untuk menghilangkan karbon dioksida dari atmosfer.
Efek gabungan dari variasi posisi Bumi terhadap Matahari juga berkontribusi terhadap perubahan iklim alami. Sepanjang tahun, Bumi mengubah kemiringannya sehingga ujung utaranya mengarah ke Matahari selama kira-kira setengah tahun dan ujung selatan ke arah Matahari selama separuh lainnya, menyebabkan variasi iklim musiman. Sumbu, atau garis di mana Bumi miring dan berputar, juga berubah sedikit dari waktu ke waktu untuk menempatkan beberapa area Bumi di bawah sinar matahari langsung daripada yang lain. Selain itu, orbit Bumi berubah sepanjang tahun, sehingga lebih dekat ke Matahari dan panasnya di beberapa titik dalam setahun daripada di titik lain.
Sirkulasi termohalin di lautan Bumi, juga dikenal sebagai sabuk konveyor laut, juga berdampak pada perubahan iklim alami. Secara umum, sirkulasi termohalin adalah arus laut dalam yang membawa panas ke berbagai belahan dunia. Proses ini sebagian besar didorong oleh massa yang tidak sama padat dan kurang padat berusaha menstabilkan diri. Perubahan dalam sirkulasi ini mengubah bagaimana panas didistribusikan ke seluruh Bumi dan seberapa banyak karbon dioksida yang dapat dikeluarkan laut dari atmosfer.