Dok je ljudska aktivnost od industrijske revolucije 1700-ih potaknula nedavno globalno zatopljenje, postoje i prirodne klimatske promjene koje se javljaju kao rezultat normalnih atmosferskih promjena. Obično se klimatske promjene odnose na trajnu promjenu vremena diljem svijeta, iako se može ograničiti na regiju. Prirodne klimatske promjene mogu biti uzrokovane nekoliko čimbenika ili klimatskih sila, uključujući tektoniku ploča, varijacije oceana, nagib planeta, fluktuacije orbite i promjene u solarnoj proizvodnji.
Dok su znanstvenici bilježili klimatske promjene od 1800-ih, prethodne varijacije u vremenu moraju se prikupiti iz usmene povijesti, pisanih dokumenata i arheoloških dokaza. Znanstvenici često koriste ledenjake kao leću prošlih prirodnih klimatskih promjena, datiraju kada je ledenjak napredovao, što ukazuje na hladnoću ili se povlači, što ukazuje na razdoblje topline. Uzorci jezgre leda također bacaju svjetlo na drevno vrijeme kroz pružanje informacija o količini ugljičnog dioksida koji je bio u atmosferi u određenom trenutku. Fosili biljaka, životinja, insekata i peludi također se mogu koristiti za datiranje klimatskih ciklusa, jer određene vrste preživljavaju u različitim uvjetima. Ovi dokazi upućuju na klimatski ciklus obilježen ledenim dobom i razdobljima topline koja sežu daleko u pretpovijesno doba.
Jedan važan razlog za prirodne klimatske promjene može se pripisati tektonici ploča i pomjeranju kontinenata. Neposredno ispod oceanske i kontinentalne kore, odnosno dijela Zemlje koji ljudi mogu vidjeti, nalazi se kruti sloj Zemlje, nazvan litosfera. Litosfera je podijeljena na ploče koje se kreću preko dubljeg, toplijeg, fluidnijeg sloja. Ove ploče uzrokuju restrukturiranje kopnene mase, osobito na granicama gdje se ploče mogu mljeti, uzrokujući potrese, udaljavati se jedna od druge, uzrokujući potrese i geotermalna žarišta, ili se sudarati s drugom, uzrokujući potrese, planinske lance, vulkane i oceanske rovove. Ovo restrukturiranje premješta kopnene mase iz jedne regije svijeta u drugu, mijenja strujanja vjetra i oceana i stvara vulkane, sve čimbenike koji mogu dovesti do regionalnih ili globalnih prirodnih klimatskih promjena.
Erupcije vulkana uzrokuju učinak hlađenja Zemlje. Kako vulkan eruptira, izbacuje pepeo i sumpor dioksid u atmosferu. Ovaj materijal stvara pokrivač u atmosferi koji se gibanjem vjetra distribuira diljem svijeta. Pepeo i sumporov dioksid sprječavaju prodiranje sunčeve svjetlosti u atmosferu i zagrijavanje Zemlje. Bez ove sunčeve svjetlosti, Zemlja se počinje hladiti.
To se razlikuje od stakleničkih plinova, poput ugljičnog dioksida, koji slobodno puštaju sunčevu svjetlost kroz atmosferu do Zemljine površine, ali blokiraju svjetlost da putuje natrag prema svemiru, uzrokujući učinak zagrijavanja. Ljudske aktivnosti uzrokovale su porast emisije ugljičnog dioksida i pad Zemljine sposobnosti uklanjanja ugljičnog dioksida iz atmosfere.
Kombinirani učinci varijacija u položaju Zemlje prema Suncu također doprinose prirodnim klimatskim promjenama. Tijekom godine Zemlja mijenja svoj nagib tako da je njezin sjeverni kraj otprilike pola godine prema Suncu, a južni prema Suncu drugu polovicu, što uzrokuje sezonske klimatske varijacije. Os, odnosno linija na kojoj se Zemlja naginje i rotira, također se vrlo malo mijenja tijekom vremena kako bi neka područja Zemlje bila izložena više izravne sunčeve svjetlosti od drugih. Osim toga, Zemljina orbita se mijenja tijekom godine, tako da je u nekim točkama godine bliža Suncu i njegovoj toplini nego u drugim.
Termohalinska cirkulacija u Zemljinim oceanima, također poznata kao oceanska transportna traka, također utječe na prirodne klimatske promjene. Općenito, termohalinska cirkulacija su duboke oceanske struje koje prenose toplinu u različite dijelove svijeta. Ovaj proces uvelike pokreću nejednake mase gustog i manje gustog koji se nastoje stabilizirati. Promjene u ovoj cirkulaciji mijenjaju način na koji se toplina distribuira po Zemlji i koliko ugljičnog dioksida ocean može ukloniti iz atmosfere.