氣候變遷的證據可以從各方麵看出來，從19世紀中葉，就有全球大氣溫度變化的記錄，再早的情況雖然沒有直接的記錄，但可以依據間接的來源確定，如植被分布、積冰層的研究、古樹的年輪、海平麵變化、冰川地質學等。
考古學研究
樓蘭從古代人類分布、農業生產的方式、考古的發現、口頭傳說和曆史文獻中，可以發現曆史上氣候變遷的情況，氣候變遷曾經造成多個文明的毀滅。
樓蘭古國突然消亡至今仍是未解之謎，許多學者認為自然環境的變遷導致了樓蘭文明被黃沙掩埋，氣候因素是摧毀古樓蘭文明的元凶。
早在2000多年前就已見諸文字的古樓蘭王國，在絲綢之路上作為中國、波斯、印度、敘利亞和羅馬帝國之間的中轉貿易站，當時曾是世界上最開放、最繁華的地方之一。然而，公元500年左右，它卻突然從中國史冊上神秘消失，成為難解之謎。古樓蘭王國位於新疆塔裏木盆地，曾是中西交通的樞紐，樓蘭文明的突然滅絕給世人敲響了警鍾。
冰川
南極沃斯托克站冰層研究檢測出過去45萬年中二氧化碳、溫度和塵埃變化情況。冰川能顯現出氣候變遷的明顯證據，當氣候變冷時，冰川範圍擴大，氣候變暖時冰川收縮。冰川的變化會將影響氣候的因素放大，同時也對自然造成影響。20世紀70年代，根據高空攝影，已經對全球的冰川情況完成詳細的記錄，記錄了覆蓋24萬平方千米的大約10萬個冰川，以前的估計全球冰川覆蓋麵積應該是約44.5萬平方千米，世界冰川監測所每年收集冰川萎縮和物質平衡的數據，根據數據證實，全世界冰川在20世紀20年代和70年代是處於擴大狀態，在40年代曾經萎縮，從80年代中期到現在又處於萎縮狀態。物質平衡數據顯示冰川物質已經連續17年處於消失狀態。
20世紀時阿爾卑斯山冰川變化圖最重要的氣候變遷是上新世中晚期（約300萬年前）的冰河期和間冰期循環，最近的一次間冰期（全新世）已經延續了約11700年，表現在陸地的冰蓋變化和海平麵的漲落。
植被
植被的變化也反映了氣候的變遷情況，哪怕氣候微小的變化，如果造成溫度和降水增加，植物生長茂盛，會固定二氧化碳。如果氣候急劇變化，會導致植物死亡和土地沙漠化。
植被與氣候之間的相互作用主要表現在2個方麵，植被對於氣候的適應性與植被對於氣候的反饋作用。植物生態學的觀點認為：主要的植被類型表現著植物界對於主要氣候類型的適應，每個氣候類型或分區都有一套相應的植被類型。為此，氣候—植被分類研究一直得到植物學、生態學、氣候學、地理學等方麵的高度重視。另一方麵，不同的植被類型通過影響植被與大氣之間的物質（如水、二氧化碳等）和能量（如太陽輻射、動量和熱量等）交換來影響氣候，改變的氣候又通過大氣與植被之間的物質和能量的交換作用對植被的生長產生影響，始終可能導致植被類型的變化，預測未來氣候變化的大氣環流模式。不同的植被類型對於大氣環流和降水的影響非常明顯，隻有將動態的植被類型引入大氣環流模式，才能提高大氣環流模式對於該區域氣候預測的準確性，從而更準確地評估氣候變化對該區域陸地生態係統的影響。用於模擬植被與近地麵層大氣之間這種相互作用的模型是大氣環流模式中的陸地表麵模型。該模型模擬了土壤、植被、大氣係統的能量、水分和動量通量。但是，現有的陸地表麵模型是以研究區域給定的植被類型和土壤特征為基礎，忽略了對氣候係統有重要影響的植被類型的潛在變化，即隻考慮了現實植被類型對氣候係統的影響，沒有反映氣候的改變對植被類型的影響以及植被類型的改變對於氣候產生的反饋作用，而且現有的大氣環流模式都是基於全球植被類型分布圖，對中國植被類型的描述非常粗糙，難以準確地預測中國的氣候。