L'étude de l'évolution climatique terrestre repose aujourd'hui sur un vaste ensemble d'archives naturelles. Les isotopes stables de l'oxygène, du carbone et de l'hydrogène permettent de reconstituer les températures anciennes. Les carottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique enregistrent directement les anciennes compositions atmosphériques grâce aux bulles d'air piégées dans la glace. Les sédiments marins conservent les coquilles des micro-organismes planctoniques, dont la composition isotopique reflète les conditions océaniques passées. Les pollens fossiles renseignent sur l'évolution de la végétation et donc du climat continental. Les cernes des arbres, les coraux, les spéléothèmes, les dépôts lacustres et les séquences loessiques complètent ces archives. La confrontation de ces données avec les modèles numériques du système climatique permet aujourd'hui de reconstituer avec une précision croissante les mécanismes ayant gouverné l'évolution du climat depuis plus de quatre milliards d'années.

L'histoire climatique de la Terre met ainsi en évidence un système extraordinairement dynamique, capable de basculer entre des états très différents sous l'effet de forçages parfois modestes mais amplifiés par de puissantes rétroactions internes. Les interactions entre le rayonnement solaire, la tectonique des plaques, le volcanisme, les cycles biogéochimiques, l'évolution de la biosphère et la composition atmosphérique expliquent la remarquable diversité des climats qui se sont succédé depuis l'origine de la planète. Cette perspective de longue durée montre également que, si les changements climatiques sont inhérents à l'histoire terrestre, la rapidité du réchauffement observé depuis le XIX^e siècle constitue, à l'échelle géologique, un phénomène exceptionnel par sa vitesse et par son origine essentiellement anthropique..

Au cours de l'Hadéen, entre 4,56 et environ 4,0 milliards d'années, la Terre nouvellement formée présente un environnement radicalement différent de celui d'aujourd'hui. Les impacts météoritiques sont fréquents, notamment durant le Grand Bombardement tardif, même si son intensité et sa durée demeurent discutées. L'intérieur de la planète reste très chaud à la suite de l'accrétion, de la différenciation gravitationnelle et de la désintégration des éléments radioactifs à courte période. Le dégazage volcanique libère d'importantes quantités de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone (CO2), d'azote (N) de méthane (CH4), d'ammoniac (NH3) de monoxyde de carbone (CO) et de composés soufrés. L'atmosphère primitive est pratiquement dépourvue d'oxygène libre. Le Soleil, encore jeune, ne rayonne qu'environ 70 % de sa luminosité actuelle, donnant naissance au célèbre paradoxe du jeune Soleil faible. Théoriquement, une telle luminosité aurait dû maintenir les océans sous forme de glace. Pourtant, de nombreuses preuves isotopiques indiquent la présence d'eau liquide dès 4,3 milliards d'années. Ce paradoxe s'explique par une concentration atmosphérique très élevée en gaz à effet de serre, principalement le CO2, mais probablement aussi le CH4 et éventuellement l'hydrogène moléculaire, qui renforcent considérablement l'effet de serre.

La condensation progressive de la vapeur d'eau conduit à la formation des premiers océans. Ceux-ci deviennent rapidement un acteur majeur de la régulation climatique. Leur immense capacité thermique amortit les variations de température, tandis que la dissolution du dioxyde de carbone amorce le futur cycle carbonate-silicate. Les premières croûtes continentales apparaissent progressivement. Leur altération chimique par les eaux de pluie consomme du CO2 atmosphérique, transféré ensuite vers les océans où il précipite sous forme de carbonates. Ce mécanisme constitue l'un des premiers thermostats climatiques de la planète. Lorsque la température augmente, l'altération des silicates s'accélère, diminuant le CO2 atmosphérique et refroidissant progressivement le climat. Inversement, lorsque les températures baissent, l'altération ralentit tandis que le volcanisme continue d'injecter du CO2, favorisant un réchauffement. Ce système de rétroaction négative fonctionne encore aujourd'hui.

Au cours de l'Archéen, entre 4,0 et 2,5 milliards d'années, la Terre reste globalement plus chaude qu'à l'époque actuelle malgré le faible rayonnement solaire. Les océans couvrent probablement une fraction plus importante de la surface terrestre. Les continents demeurent relativement réduits, limitant l'altération continentale et permettant au dioxyde de carbone de rester abondant dans l'atmosphère. Les premiers organismes vivants apparaissent probablement avant 3,8 milliards d'années. Les cyanobactéries développent progressivement la photosynthèse oxygénique, mais l'oxygène produit est immédiatement consommé par l'oxydation des minéraux réduits, notamment le fer dissous dans les océans. Les dépôts de formations de fer rubané témoignent de cette consommation massive. Durant cette période, le méthane produit par les archées méthanogènes joue probablement un rôle climatique essentiel. En l'absence d'oxygène, le méthane possède une durée de vie atmosphérique très longue et contribue puissamment à l'effet de serre, compensant partiellement la faible luminosité solaire.

Vers 2,45 à 2,2 milliards d'années, la planète connaît l'un des bouleversements climatiques majeurs de son histoire : la Grande Oxydation. L'accumulation progressive d'oxygène atmosphérique entraîne l'oxydation rapide du méthane, réduisant fortement son abondance. La diminution de cet important gaz à effet de serre provoque probablement un refroidissement global. Plusieurs glaciations paléoprotérozoïques apparaissent, notamment la glaciation huronienne, qui pourrait avoir été l'une des plus sévères de toute l'histoire terrestre. Certains modèles suggèrent que la glace aurait atteint les basses latitudes, sans toutefois recouvrir intégralement les océans. Le refroidissement est ensuite interrompu grâce à l'accumulation progressive du CO2 volcanique, qui finit par inverser la tendance.

Le Protérozoïque moyen connaît ensuite une longue période relativement stable, parfois qualifiée de "milliard ennuyeux". Entre environ 1,8 et 0,8 milliard d'années, les variations climatiques semblent moins marquées que durant les autres grandes périodes géologiques. Les continents sont regroupés au sein de plusieurs supercontinents successifs, notamment Columbia puis Rodinia. L'évolution relativement lente de la tectonique, l'absence de grandes glaciations et une biosphère encore peu diversifiée contribuent à cette stabilité apparente. Toutefois, des fluctuations importantes du niveau marin et de la composition atmosphérique continuent d'exister.

Vers 720 à 635 millions d'années, au Néoprotérozoïque, la Terre traverse plusieurs épisodes glaciaires exceptionnels, connus sous les noms de glaciations sturtienne et marinoenne. Ces événements alimentent l'hypothèse de la Terre boule de neige. Selon ce modèle, la glace aurait recouvert presque entièrement les océans jusque dans les régions équatoriales. L'albédo très élevé de la glace entretient alors une rétroaction positive : davantage de glace réfléchit davantage de lumière solaire, accentuant encore le refroidissement. La sortie de ces épisodes extrêmes nécessite probablement plusieurs millions d'années d'accumulation continue de CO2 volcanique, le cycle d'altération étant pratiquement interrompu sous les glaces. Lorsque la concentration atmosphérique devient suffisamment élevée, un effet de serre intense provoque une fonte rapide et un réchauffement brutal. Les gigantesques dépôts de carbonates qui suivent immédiatement ces glaciations témoignent de cette transition spectaculaire.

À partir du Cambrien, il y a environ 541 millions d'années, débute le Phanérozoïque, période pour laquelle les archives climatiques deviennent beaucoup plus abondantes grâce aux fossiles et aux roches sédimentaires. Le climat reste généralement chaud durant une grande partie du Paléozoïque inférieur. Les concentrations de CO2 demeurent plusieurs fois supérieures aux valeurs actuelles. Les mers peu profondes couvrent de vastes surfaces continentales, favorisant une biodiversité marine exceptionnelle lors de l'explosion cambrienne. Les températures moyennes sont relativement élevées, tandis que les calottes polaires sont absentes ou très limitées.

Au cours de l'Ordovicien supérieur, il y a environ 445 millions d'années, survient une importante glaciation. Celle-ci est favorisée par la position du Gondwana au voisinage du pôle Sud, la diminution progressive du CO2 atmosphérique liée à l'altération des continents et peut-être au développement des premières plantes terrestres. Cette glaciation provoque une baisse importante du niveau marin et contribue à l'une des grandes crises biologiques de l'histoire terrestre.

Le Dévonien voit l'expansion spectaculaire des plantes vasculaires et des premières grandes forêts. Cette révolution biologique transforme profondément le climat mondial. Les racines accélèrent l'altération chimique des silicates, tandis que l'enfouissement d'importantes quantités de matière organique retire durablement du carbone de l'atmosphère. La concentration en dioxyde de carbone diminue progressivement. Les niveaux d'oxygène augmentent parallèlement. Ces transformations préparent l'installation des glaciations du Carbonifère supérieur et du Permien inférieur.

Entre environ 335 et 280 millions d'années, la Terre connaît une longue période glaciaire, parfois appelée glaciation permo-carbonifère. D'immenses calottes glaciaires recouvrent le Gondwana austral. Simultanément, les vastes forêts marécageuses équatoriales produisent une biomasse considérable, à l'origine de nombreux gisements de charbon. L'enfouissement massif du carbone organique réduit encore le CO2 atmosphérique. Les concentrations d'oxygène atteignent probablement plus de 30 %, favorisant notamment le gigantisme de certains arthropodes.

À la fin du Permien, il y a environ 252 millions d'années, le climat bascule brutalement vers un état extrêmement chaud. Les gigantesques éruptions des Trapps de Sibérie injectent dans l'atmosphère d'immenses quantités de CO2, de méthane et d'aérosols. Après un refroidissement volcanique de courte durée lié aux particules sulfatées, un réchauffement durable s'installe. Les températures océaniques augmentent fortement, la circulation océanique ralentit, l'anoxie marine s'étend et l'acidification des océans s'intensifie. Cette combinaison de facteurs contribue à la plus importante extinction de masse connue, éliminant environ 90 % des espèces marines.

Le Mésozoïque constitue globalement une période de climat de serre. Les concentrations de CO2 restent élevées, les calottes polaires permanentes sont absentes et le niveau marin atteint fréquemment des valeurs supérieures de plusieurs dizaines, voire plus de cent mètres, à celui d'aujourd'hui. Durant le Jurassique et surtout le Crétacé, les températures moyennes mondiales dépassent largement les valeurs actuelles. Les gradients thermiques entre l'équateur et les pôles sont relativement faibles. Des forêts tempérées occupent des régions aujourd'hui arctiques. Les océans connaissent cependant plusieurs épisodes anoxiques durant lesquels de vastes volumes d'eau profonde deviennent pauvres en oxygène, favorisant l'accumulation de matière organique.

L'impact de l'astéroïde de Chicxulub, il y a 66 millions d'années, provoque une perturbation climatique extrêmement rapide. Les poussières, les sulfates et les suies injectés dans l'atmosphère réduisent fortement l'ensoleillement pendant plusieurs mois à plusieurs années. Cet hiver d'impact entraîne un refroidissement brutal, une diminution de la photosynthèse et l'effondrement des réseaux trophiques. À plus long terme, le climat retrouve progressivement un état chaud au début du Cénozoïque.

Le Paléocène et surtout l'Éocène précoce représentent l'un des sommets thermiques du Cénozoïque. Les concentrations atmosphériques de CO2 demeurent élevées, tandis que les continents poursuivent leur dérive. Le Maximum thermique Paléocène-Éocène, il y a environ 56 millions d'années, constitue un réchauffement abrupt d'environ 5 à 8 °C en quelques dizaines de milliers d'années. Il est probablement lié à une injection massive de carbone dans le système climatique, provenant de plusieurs sources combinées, dont le volcanisme, le dégazage de matières organiques et peut-être les hydrates de méthane. Cet épisode provoque une acidification importante des océans, des migrations biologiques à grande échelle et des extinctions significatives parmi les organismes benthiques profonds.

À partir de l'Éocène moyen, une tendance générale au refroidissement s'amorce. La diminution progressive du CO2 résulte notamment de l'intensification de l'altération chimique associée à la surrection de grandes chaînes de montagnes, comme l'Himalaya et le plateau Tibétain, conséquence de la collision entre l'Inde et l'Asie. L'ouverture progressive des passages océaniques autour de l'Antarctique permet également la mise en place du courant circumpolaire antarctique, qui isole thermiquement le continent austral. Vers 34 millions d'années, la première calotte glaciaire permanente antarctique se développe.

Le refroidissement se poursuit durant le Miocène et le Pliocène. Les concentrations atmosphériques de CO2 continuent de diminuer, tandis que les modifications de la circulation océanique, notamment la fermeture progressive de l'isthme de Panama, réorganisent les échanges de chaleur entre les océans. Ces évolutions préparent les grandes glaciations quaternaires.

Depuis environ 2,58 millions d'années débute le Quaternaire, caractérisé par une alternance régulière de périodes glaciaires et interglaciaires. Ces oscillations sont principalement gouvernées par les paramètres orbitaux décrits par la théorie astronomique de Milanković : variations de l'excentricité de l'orbite terrestre, de l'obliquité de l'axe de rotation et de la précession des équinoxes. Ces variations modifient la distribution saisonnière et latitudinale de l'énergie solaire reçue. Les faibles changements d'insolation sont ensuite amplifiés par plusieurs rétroactions, notamment celles de l'albédo des glaces, du dioxyde de carbone, du méthane, de la vapeur d'eau et de la circulation océanique.

Durant le Dernier Maximum Glaciaire, il y a environ 21 000 ans, d'immenses calottes glaciaires recouvrent l'Amérique du Nord, l'Europe septentrionale et une partie de l'Asie. Le niveau marin se situe environ 120 mètres sous son niveau actuel. Les déserts sont plus étendus dans certaines régions tandis que les ceintures climatiques sont profondément déplacées. La déglaciation qui suit est marquée par plusieurs épisodes rapides, comme le Dryas récent, illustrant la capacité du système climatique à changer brutalement sous l'effet de perturbations relativement limitées de la circulation océanique.

L'Holocène, commencé il y a environ 11 700 ans, correspond à une période interglaciaire relativement stable. Cette stabilité climatique favorise l'expansion de l'agriculture, la sédentarisation des sociétés humaines et le développement des civilisations. Néanmoins, le climat holocène n'est pas parfaitement constant. Il connaît plusieurs fluctuations, parmi lesquelles l'optimum climatique holocène, les épisodes arides affectant de nombreuses civilisations anciennes, l'optimum climatique médiéval et le Petit Âge glaciaire entre les XIV^e et XIX^e siècles, période caractérisée par un refroidissement modéré mais durable de l'hémisphère Nord.

Depuis le début de la révolution industrielle, le système climatique terrestre entre dans une phase entièrement nouvelle dominée par l'influence des activités humaines. La combustion des combustibles fossiles, la déforestation, la production de ciment, l'agriculture intensive et les modifications de l'usage des sols entraînent une augmentation rapide des concentrations de gaz à effet de serre. Le dioxyde de carbone, resté pendant plusieurs centaines de milliers d'années entre environ 180 et 280 ppm au cours des cycles glaciaires, dépasse désormais largement ces valeurs. Le méthane et le protoxyde d'azote augmentent également fortement. Le forçage radiatif positif qui en résulte provoque un réchauffement global rapide, accompagné d'une fonte accélérée des glaciers, d'une diminution de la banquise arctique, d'une élévation du niveau marin, d'une intensification du cycle hydrologique, d'une augmentation de la fréquence de certains événements climatiques extrêmes et d'une acidification continue des océans (Le changement climatique).