En los 4.600 millones de años desde la formación de la Tierra y su primera atmósfera, el clima ha sufrido alteraciones que ayudan a comprender la naturaleza de los cambios. La combinación de vientos Solares con el aumento de la masa, y por tanto, la gravedad de la Tierra, así como el progresivo enfriamiento del joven planeta dieron forma al primer sistema climático del planeta. La composición química primigenia de la Tierra, junto con los factores anteriormente mencionados dieron lugar a una atmósfera compuesta principalmente por elementos similares a las emisiones volcánicas, nitrógeno, dióxido de carbono, cloruro de hidrógeno y dióxido de azufre. La evidencia paleoclimática también muestra trazas de agua en esta época, probablemente de procedencia externa.
No hay consenso científico sobre cuándo sucedió exactamente, pero hace entre 4.530 millones de años y 4.480 millones de años, un cuerpo celeste del tamaño de Marte llamado Theia colisionó con la Tierra primigenia. El impacto expulsa una gran cantidad de masa al espacio, lo que creo la Luna y se cree que también es el responsable de los 23,5º de inclinación del planeta, ambos factores importantes en el clima desde entonces. La energía liberada por el impacto disipa la primera atmósfera y funde la corteza terrestre convirtiéndola en un océano de magma.
La falta de atmósfera hizo que la Tierra se enfriara rápidamente, y la combinación de vapor escapando de la corteza terrestre, el agua adicional traída por cuerpos externos y la actividad volcánica crearon una segunda atmósfera estable hace 300 millones de años, aunque desarrollos recientes en la investigación apuntan a que el proceso pudo comenzar mucho antes, hace 4.200 millones de años. Precipitaciones masivas formaron océanos que absorbieron una gran parte de los otros gases de la atmósfera, y el nitrógeno pasó a ser su compuesto principal. En este punto, el clima terrestre se encuentra aún en una etapa prebiótica, ya que no existe evidencia científica que pruebe la existencia de vida, ni de oxígeno, en la Tierra de esa época.
En esta época se da lo que se conoce como la paradoja del Sol débil. Según los modelos de evolución estelar, el Sol irradiaba sólo el 70% de su actual calor en los primeros momentos de la tierra. Con las concentraciones actuales de GEI esto resultaría en una temperatura media estable en la superficie de -41º C, lo que impediría la existencia de océanos de agua líquida. Sin embargo, se sabe que en esta etapa existían estos océanos y además la ausencia de vida unicelular significa que no hay fotosíntesis para la conversión del dióxido de carbono en oxígeno. Investigaciones recientes apuntan a que además de CO2 existían altas concentraciones de sulfuro de carbonilo (OCS), un GEI muy eficiente que podría explicar la discrepancia entre la emisión Solar y la temperatura registrada.
No se sabe con exactitud cuándo comenzó la vida en la tierra, pero la estratificación de depósitos de óxidos en forma de bandas a partir de hace 3.500 millones de años apunta a la existencia de organismos unicelulares produciendo oxígeno a través de la fotosíntesis. Durante un largo período, el oxígeno que producían estos organismos era capturado por la oxidación de minerales reducidos, en especial el hierro, de ahí los depósitos en bandas. Otra teoría propone que la vida en la tierra no evolucionó al punto en el que emitía oxígeno como desecho hasta 1.000 millones de años más tarde.
La reducción de concentraciones de GEI y el aumento en la proporción de oxígeno en la atmósfera llevó, hace alrededor de 2.400 millones de años, a lo que se conoce como la Gran Oxidación. Una gran parte de la vida en la Tierra, adaptada al medio anaeróbico, desapareció en lo que es probablemente la mayor extinción en la historia del planeta. La reacción del oxígeno liberado con el metano existente en la atmósfera produjo CO2, cuyos efectos invernadero son menores. Como resultado de esta nueva composición atmosférica (tercera atmósfera), la Tierra entró en lo que se conoce como la glaciación Huroniana, que duró unos 300 millones de años.
Las masas continentales se crean a lo largo de lo que se conoce como el eón Proterozoico, es decir, desde hace unos 2.500 millones de años hasta hace más o menos 542 millones. La aglomeración de material sólido alrededor de los cratones, o masas continentales más viejas y sólidas configura los continentes y los movimientos tectónicos tal como los se conocen hoy en día. Los patrones climáticos se ajustan en esta época bajo la influencia de las nuevas masas terrestres, y desarrollaron varios períodos glaciales durante los cuales se congeló la mayor parte del planeta, aunque se especula que en las regiones ecuatoriales se mantenía un corredor de agua abierta. A nivel biológico, algunos procariontes evolucionan a eucariontes, los cuales, debido a su mayor eficiencia en el proceso de fotosíntesis permiten la posterior aparición de los organismos multicelulares y la eventual explosión Cámbrica de biodiversidad. Los niveles de O2 se estabilizan a niveles modernos (±21%) y se forma la capa de ozono (O3), lo que habilita el medio terrestre para su colonización biológica.
De los cinco grandes eventos de extinción masiva de los cuales se tiene evidencia fósil, tres de ellos se debieron, al menos en parte, a un cambio climático abrupto. El primero de estos eventos fue la extinción masiva del Ordovícico-Silúrico, que sucedió hace alrededor de 450 millones de años. Un período de declive en los niveles de CO2 atmosférico puso presión sobre los hábitat de aguas poco profundas, donde se concentraban la mayoría de las especies. Además, el supercontinente Gondwana se mueve hacia el polo sur, lo que causa un enfriamiento de la Tierra y una bajada del nivel del mar.
Ya en el período carbonífero, hace unos 300 millones, ocurre un evento de extinción debido al colapso del hábitat de bosque lluvioso predominante en toda la Pangea tropical. En un plazo de unos pocos miles de años, la temperatura descendió de forma abrupta, y el nivel del mar bajó alrededor de 100 metros. Esto permitió a especies de helechos extenderse rápidamente en detrimento de las plantas lycophyta predominantes en la época. El progresivo deterioro y retroceso de los hábitat de bosque tropical y su fragmentación en islas de poblaciones causaron estragos entre las especies de plantas y animales, en especial en los anfibios. Las pequeñas poblaciones separadas se recuperaron gradualmente, particularmente los reptiles, y dio pie al endemismo de las especies, en lugar de la relativa homogeneidad que se observaba anteriormente.
Unos 50 millones de años más tarde, en la frontera entre los períodos Pérmico y Triásico (hace 251 millones de años), tiene lugar una extinción masiva, la cual se conoce informalmente como la gran mortandad. Los científicos creen que la extinción se desarrolló en hasta tres fases sucesivas y causó la desaparición del 96% de la especies marinas, el 70% de los vertebrados terrestres y el 83% de los géneros de insectos, entre otros. Se cree que la primera fase de extinción se debió a un cambio climático abrupto causado por una creciente anoxia en los océanos, la formación de Pangaea y sus consecuencias sobre el sistema y un descenso del nivel del mar acompañado por el colapso de las corrientes termohalinas. Otros eventos posteriores que pudieron acelerar y acentuar la extinción masiva incluyen impactos de bólidos, un aumento en la actividad volcánica o lo que se denomina la hipótesis del fusil de clatratos, según la cual los cambios en el nivel o la temperatura del mar pueden liberar grandes cantidades de hidrato de metano del fondo marino.
Se cree que otro evento de este tipo desencadenó el máximo térmico del Paleoceno - Eoceno, hace 55,8 millones de años. En un plazo de 20.000 años la temperatura de la Tierra aumentó en 6º, con la consiguiente alteración de los sistemas marinos y atmosféricos. Además de la repentina emisión de carbono empobrecido (carbono-13) del fondo marino, una intensa actividad volcánica liberaron a la atmósfera entre 1.500 y 2.000 gigatoneladas de carbono al año, la cuarta parte de las 7,8 Gt emitidas por la actividad humana. La Tierra del Eoceno carecía casi totalmente de capas de hielo, pero con el aumento de las temperaturas terminaron de desaparecer, con la consecuente reducción del albedo. Esto a su vez inicia un proceso de retroalimentación positiva de las temperaturas, especialmente en la zonas polares donde las temperaturas medias anuales oscilaban entre los 10ºC y los 20ºC. A pesar de que no se había liberado gran cantidad de agua del deshielo, el nivel de los océanos aumentó considerablemente. En menos de 5.000 años las corrientes se habían invertido, y comenzaron a fluir de norte a sur. Como consecuencia el calentamiento se acentuó, y la composición química del océano sufrió graves alteraciones.
En tiempos más recientes, es decir en los últimos 100.000 años, se han sucedido unos 25 cambios climáticos conocidos como los ciclos de Dansgaard-Oeschger. El último de estos eventos es el Younger Dryas, que comenzó una abrupta y brutal glaciación hace unos 12.900 años que duró 1.300 duros inviernos. La rapidez del desarrollo de este evento, en especial su repentino final y el regreso a un clima más cálido y húmedo, llevan a los científicos a pensar que el final de la última glaciación puede haberse producido en respuesta a una barrera traspasada o a un proceso desencadenado en el sistema climático del Atlántico norte. Otras investigaciones apoyan la hipótesis de que el colapso de las corrientes termohalinas fue el desencadenante de la glaciación.