Si bien la actividad humana desde la Revolución Industrial en el 1700 ha impulsado el calentamiento global reciente, también hay un cambio climático natural que se produce como resultado de los cambios atmosféricos normales. Por lo general, el cambio climático se refiere a un cambio sostenido en el clima en todo el mundo, aunque puede estar restringido a una región. El cambio climático natural puede ser causado por varios factores o forzamientos climáticos, incluida la tectónica de placas, las variaciones oceánicas, la inclinación del planeta, las fluctuaciones orbitales y los cambios en la producción solar.
Si bien los científicos han registrado el cambio climático desde el siglo XIX, las variaciones anteriores en el clima deben obtenerse de historias orales, documentos escritos y evidencia arqueológica. Los científicos a menudo usan los glaciares como una lente sobre el cambio climático natural pasado, que data cuando un glaciar avanzó, lo que indica una ola de frío, o se retiró, lo que indica un período de calor. Las muestras de núcleos de hielo también arrojan luz sobre el clima antiguo al proporcionar información sobre la cantidad de dióxido de carbono que había en la atmósfera en un momento dado. Los fósiles de plantas, animales, insectos y polen también pueden usarse para fechar los ciclos climáticos, ya que ciertas especies sobreviven en diferentes condiciones. Esta evidencia apunta a un ciclo climático marcado por edades de hielo y períodos de calor que se remontan a tiempos prehistóricos.
Una razón importante del cambio climático natural se puede atribuir a la tectónica de placas y la deriva continental. Justo debajo de la corteza oceánica y continental, o la parte de la Tierra que los humanos pueden ver, se encuentra una capa rígida de la Tierra, llamada litosfera. La litosfera se divide en placas que se mueven sobre una capa más profunda, más caliente y más fluida. Estas placas causan la reestructuración de la masa terrestre, particularmente en los límites donde las placas pueden moler, causando terremotos, alejarse unas de otras, causando terremotos y puntos calientes geotérmicos, o colisionar con otros, causando terremotos, cadenas montañosas, volcanes y fosas oceánicas. Esta reestructuración mueve masas de tierra de una región del mundo a otra, cambia las corrientes de viento y oceánicas y produce volcanes, todos factores que pueden conducir al cambio climático natural regional o global.
Las erupciones de los volcanes provocan un efecto de enfriamiento en la Tierra. Cuando el volcán entra en erupción, expulsa cenizas y dióxido de azufre a la atmósfera. Este material crea un manto en la atmósfera que se distribuye por todo el mundo mediante el movimiento del viento. La ceniza y el dióxido de azufre impiden que la luz solar penetre en la atmósfera y caliente la Tierra. Sin esta luz solar, la Tierra comienza a enfriarse.
Esto difiere de los gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono, que dejan pasar libremente la luz solar a través de la atmósfera hasta la superficie de la Tierra, pero impiden que la luz viaje de regreso al espacio, lo que provoca un efecto de calentamiento. Las actividades humanas han provocado un aumento de las emisiones de dióxido de carbono y una disminución de la capacidad de la Tierra para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera.
Los efectos combinados de las variaciones en la posición de la Tierra con respecto al Sol también contribuyen al cambio climático natural. A lo largo del año, la Tierra cambia su inclinación para que su extremo norte esté hacia el Sol durante aproximadamente la mitad del año y el extremo sur esté hacia el Sol durante la otra mitad, lo que provoca variaciones climáticas estacionales. El eje, o la línea en la que la Tierra se inclina y gira, también cambia muy levemente con el tiempo para poner algunas áreas de la Tierra a la luz solar más directa que otras. Además, la órbita de la Tierra cambia a lo largo del año, por lo que está más cerca del Sol y su calor en algunos puntos del año que en otros.
La circulación termohalina en los océanos de la Tierra, también conocida como cinta transportadora oceánica, también afecta el cambio climático natural. Generalmente, la circulación termohalina son corrientes oceánicas profundas que llevan calor a diferentes partes del mundo. Este proceso está impulsado en gran medida por masas desiguales de densas y menos densas que buscan estabilizarse. Los cambios en esta circulación cambian la forma en que se distribuye el calor en la Tierra y la cantidad de dióxido de carbono que el océano puede eliminar de la atmósfera.