Während menschliche Aktivitäten seit der industriellen Revolution im 1700. Jahrhundert die jüngste globale Erwärmung vorangetrieben haben, gibt es auch natürliche Klimaänderungen, die als Folge normaler atmosphärischer Veränderungen auftreten. Typischerweise bezieht sich der Klimawandel auf eine anhaltende Wetteränderung auf der ganzen Welt, obwohl sie auf eine Region beschränkt sein kann. Der natürliche Klimawandel kann durch mehrere Faktoren oder Klimaantriebe verursacht werden, einschließlich Plattentektonik, Ozeanvariationen, Neigung des Planeten, Umlaufbahnschwankungen und Änderungen der Sonnenleistung.
Während Wissenschaftler den Klimawandel seit dem 1800. Jahrhundert aufgezeichnet haben, müssen frühere Wetterschwankungen aus mündlichen Überlieferungen, schriftlichen Dokumenten und archäologischen Beweisen gewonnen werden. Wissenschaftler verwenden Gletscher oft als Linse für den natürlichen Klimawandel in der Vergangenheit und datieren, wann ein Gletscher vorrückte, was auf eine Kälteperiode hinweist, oder sich zurückzog, was auf eine Wärmeperiode hindeutet. Eisbohrkernproben geben auch Aufschluss über das antike Wetter, indem sie Informationen über die Menge an Kohlendioxid liefern, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Atmosphäre befand. Fossilien von Pflanzen, Tieren, Insekten und Pollen können auch zur Datierung von Klimazyklen verwendet werden, da bestimmte Arten unter anderen Bedingungen überleben. Diese Hinweise weisen auf einen Klimazyklus hin, der von Eiszeiten und Wärmeperioden geprägt war und bis weit in die Urzeit zurückreicht.
Ein wichtiger Grund für den natürlichen Klimawandel kann der Plattentektonik und der Kontinentaldrift zugeschrieben werden. Direkt unter der ozeanischen und kontinentalen Kruste oder dem Teil der Erde, den der Mensch sehen kann, liegt eine starre Schicht der Erde, die Lithosphäre genannt wird. Die Lithosphäre ist in Platten unterteilt, die sich über eine tiefere, heißere und flüssigere Schicht bewegen. Diese Platten verursachen die Umstrukturierung der Landmasse, insbesondere an den Grenzen, an denen Platten schleifen, Erdbeben verursachen, sich voneinander entfernen, Erdbeben und geothermische Hotspots verursachen oder miteinander kollidieren, was Erdbeben, Bergketten, Vulkane und ozeanische Gräben verursacht. Diese Umstrukturierung bewegt Landmassen von einer Region der Welt in eine andere, verändert Wind- und Meeresströmungen und produziert Vulkane, alles Faktoren, die zu einem regionalen oder globalen natürlichen Klimawandel führen können.
Die Eruptionen von Vulkanen haben einen kühlenden Effekt auf der Erde. Beim Ausbruch des Vulkans stößt er Asche und Schwefeldioxid in die Atmosphäre aus. Dieses Material bildet eine Decke in der Atmosphäre, die durch die Bewegung des Windes über den Globus verteilt wird. Die Asche und das Schwefeldioxid hindern Sonnenlicht daran, in die Atmosphäre einzudringen und die Erde zu erwärmen. Ohne dieses Sonnenlicht beginnt die Erde abzukühlen.
Dies unterscheidet sich von Treibhausgasen wie Kohlendioxid, die das Sonnenlicht ungehindert durch die Atmosphäre zur Erdoberfläche gelangen lassen, das Licht jedoch daran hindern, in den Weltraum zurückzukehren, was einen Erwärmungseffekt verursacht. Menschliche Aktivitäten haben zu einem Anstieg der Kohlendioxidemissionen und einem Rückgang der Fähigkeit der Erde, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen, verursacht.
Die kombinierten Auswirkungen von Variationen der Position der Erde zur Sonne tragen ebenfalls zum natürlichen Klimawandel bei. Im Laufe des Jahres ändert die Erde ihre Neigung, sodass ihr nördliches Ende ungefähr die Hälfte des Jahres zur Sonne und das südliche Ende die andere Hälfte zur Sonne zeigt, was zu jahreszeitlichen Klimaschwankungen führt. Die Achse oder die Linie, um die sich die Erde neigt und dreht, ändert sich im Laufe der Zeit ebenfalls sehr geringfügig, um einige Gebiete der Erde direkterem Sonnenlicht auszusetzen als andere. Darüber hinaus ändert sich die Umlaufbahn der Erde im Laufe des Jahres, so dass sie an manchen Stellen des Jahres näher an der Sonne und ihrer Hitze ist als an anderen.
Die thermohaline Zirkulation in den Ozeanen der Erde, auch bekannt als Ozeanförderband, beeinflusst auch den natürlichen Klimawandel. Im Allgemeinen handelt es sich bei der thermohalinen Zirkulation um tiefe Meeresströmungen, die Wärme in verschiedene Teile der Welt transportieren. Dieser Prozess wird hauptsächlich von ungleichen Massen dichter und weniger dichter Versuche angetrieben, sich zu stabilisieren. Veränderungen dieser Zirkulation verändern die Wärmeverteilung auf der Erde und wie viel Kohlendioxid der Ozean aus der Atmosphäre entfernen kann.