El IPCC (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático), en su tercer Informe de Evaluación, define el cambio climático como una "Importante variación estadística en el estado medio del clima o en su variabilidad, que persiste durante un período prolongado (normalmente decenios o incluso más)". Los indicadores de estos cambios, tales como alteraciones en la frecuencia de eventos climáticos extremos, o el avance o retroceso de las áreas desérticas y las capas polares, pueden producirse a nivel global o local. Este es un proceso natural que habitualmente tiene un progreso lineal, que responde ya sea a los procesos internos del sistema o a forzamientos externos. No se considera cambio climático a variaciones que tengan una corta duración, o cuyos efectos sobre los fenómenos atmosféricos sea transitoria, como podría ser el caso de El Niño.
La NOAA (Administración Atmosférica y Oceánica de EEUU) y la AEMA (Agencia Europea del Medio Ambiente) comparten una definición más exhaustiva del cambio climático:
"Fluctuaciones a largo plazo en la temperatura, la precipitación, viento y todos los demás aspectos del clima de la Tierra. Procesos externos, tales como las variaciones en la irradiación Solar, variaciones en los parámetros orbitales de la Tierra (excentricidad, precesión e inclinación), movimientos de la litosfera y la actividad volcánica son factores en la variación del clima. Variaciones internas del sistema climático, e.g. cambios en las concentraciones de GEI (gases de efecto invernadero), también pueden producir fluctuaciones de suficiente magnitud y variabilidad como para explicar el cambio climático observado a través de los procesos de retroalimentación que interrelacionan los componentes del sistema climático".
Sin embargo, no todo cambio en el clima se produce de manera lineal. Forzamientos externos fuertes o el colapso de partes del sistema pueden romper con la linealidad de los variaciones en los patrones climatológicos. Esto desemboca en lo que se conoce como un cambio climático abrupto, una transición del sistema climático a un estado distinto a una velocidad mayor que los factores que producen el cambio. Por tanto, el período de tiempo en el que se desarrolla un cambio climático abrupto no es fijo, pero en cualquier caso es suficientemente rápido como para que los sistemas biológicos tengan dificultades para adaptarse.
La paleoclimatología, o estudio de los fenómenos climatológicos de la Tierra a través de su historia, ha estudiado cambios climáticos abruptos en el pasado y sus efectos en la vida sobre la Tierra. Entre otras técnicas utilizadas por esta ciencia, el análisis de diversos factores en las capas de hielo, tales como la composición del aire atrapado, el grosor de las sucesivas capas, los restos de polen o los depósitos de ceniza volcánica, proveen información fiable sobre climas pasados. Otras aproximaciones, como la dendroclimatología o el estudio de los cambios en los patrones de crecimiento de los árboles, o la Esclerocronología, que hace lo propio con los corales, también aportan importantes datos.