Medan mänsklig aktivitet sedan den industriella revolutionen på 1700-talet har drivit fram den senaste tidens globala uppvärmning, finns det också naturliga klimatförändringar som uppstår som ett resultat av normala atmosfäriska förändringar. Vanligtvis hänvisar klimatförändringar till en ihållande förändring i väder över hela världen, även om den kan begränsas till en region. Naturliga klimatförändringar kan orsakas av flera faktorer eller klimatpåverkan, inklusive plattektonik, havsvariationer, planetens lutning, orbitalfluktuationer och förändringar i solproduktionen.
Medan forskare har registrerat klimatförändringar sedan 1800-talet, måste tidigare variationer i väder hämtas från muntliga historier, skriftliga dokument och arkeologiska bevis. Forskare använder ofta glaciärer som en lins på tidigare naturliga klimatförändringar, de daterar när en glaciär framskridit, vilket indikerar en kyla eller drog sig tillbaka, vilket indikerar en period av värme. Prover av iskärnor belyser också forntida väder genom att ge information om mängden koldioxid som fanns i atmosfären vid en given tidpunkt. Fossil av växter, djur, insekter och pollen kan också användas för att datera klimatcykler, eftersom vissa arter överlever under olika förhållanden. Dessa bevis pekar på en klimatcykel präglad av istider och perioder av värme som sträcker sig långt tillbaka in i förhistorisk tid.
En viktig orsak till naturliga klimatförändringar kan tillskrivas plattektonik och kontinentaldrift. Precis under den oceaniska och kontinentala skorpan, eller den del av jorden som människor kan se, ligger ett styvt lager av jorden, som kallas litosfären. Litosfären är uppdelad i plattor som rör sig över ett djupare, varmare, mer flytande lager. Dessa plattor orsakar omstrukturering av landmassan, särskilt vid gränserna där plattor kan mala, orsaka jordbävningar, flytta bort från varandra, orsaka jordbävningar och geotermiska hotspots, eller kollidera med en annan och orsaka jordbävningar, bergskedjor, vulkaner och havsgravar. Denna omstrukturering flyttar landmassor från en region i världen till en annan, förändrar vind- och havsströmmar och producerar vulkaner, alla faktorer som kan leda till regionala eller globala naturliga klimatförändringar.
Vulkanutbrotten orsakar en kylande effekt på jorden. När vulkanen får utbrott sprutar den ut aska och svaveldioxid i atmosfären. Detta material skapar en filt i atmosfären som fördelas över jordklotet genom vindens rörelse. Askan och svaveldioxiden hindrar solljus från att tränga in i atmosfären och värma jorden. Utan detta solljus börjar jorden svalna.
Detta skiljer sig från växthusgaser, som koldioxid, som fritt låter solljus passera genom atmosfären till jordens yta, men blockerar ljuset från att resa tillbaka ut mot rymden, vilket orsakar en värmande effekt. Mänskliga aktiviteter har orsakat en ökning av koldioxidutsläppen och en minskning av jordens förmåga att ta bort koldioxid från atmosfären.
De kombinerade effekterna av variationer i jordens position till solen bidrar också till naturliga klimatförändringar. Under loppet av året ändrar jorden sin lutning så att dess norra ände är mot solen under ungefär halva året och den södra änden är mot solen under andra halvan, vilket orsakar säsongsbetonade klimatvariationer. Axeln, eller linjen som jorden lutar och roterar på, förändras också mycket lite över tiden för att sätta vissa områden på jorden i mer direkt solljus än andra. Dessutom förändras jordens omloppsbana under hela året, så att den är närmare solen och dess värme vid vissa punkter på året än vid andra.
Den termohalina cirkulationen i jordens hav, även känd som havstransportbandet, påverkar också den naturliga klimatförändringen. Generellt sett är termohalin cirkulation djupa havsströmmar som transporterar värme till olika delar av världen. Denna process drivs till stor del av ojämlika massor av täta och mindre täta försök att stabilisera sig själva. Förändringar i denna cirkulation förändrar hur värmen fördelas över jorden och hur mycket koldioxid havet kan ta bort från atmosfären.