I primi strumenti di misura meteorologici sono comparsi verso la fine del 1500 e le serie storiche più antiche di dati di temperatura risalgono a circa un secolo più tardi. Appare dunque evidente come lo studio del clima del nostro Pianeta in tempi remoti non possa avvalersi di dati strumentali diretti, ma debba ricorrere a quelli che vengono chiamati proxy data, ovvero misurazioni indirette di altri parametri, che rappresentano tuttavia una sorta di “specchio” della situazione climatica presente in un certo momento della storia. 
Esistono diversi tipi di proxy data, presenti all’interno di veri e propri archivi naturali.
Primi tra tutti sono i fossili, ovvero resti di animali e piante, che rimangono intrappolati in alcuni tipi di rocce; se in un certo ambiente si trovano oggi fossili di animali e piante che vivono in determinate condizioni climatiche, significa che nel passato in quell’ambiente erano presenti proprio quelle condizioni, talvolta anche molto distanti dalle attuali: è il caso, ad esempio, dei fossili di organismi marini, che si ritrovano all’interno di rocce dolomitiche. 
Un altro famoso archivio climatico sono gli anelli dei tronchi delle piante, dal cui studio è possibile ricostruire quelle che sono state le temperature e le precipitazioni in ogni anno in cui la pianta ha vissuto. Le piante hanno tuttavia il limite di avere una vita media tale da non poterci fornire informazioni sul clima della Terra di centinaia di migliaia o addirittura milioni di anni fa. 
Ecco perché il più importante archivio del clima del passato sono però le carote di ghiaccio, ovvero cilindri di ghiaccio prelevati sui ghiacciai montani e polari. L’analisi chimica delle carote di ghiaccio permette di ricostruire il clima terrestre ed avere anche notizia di importanti fenomeni avvenuti sul nostro Pianeta quali grandi eruzioni vulcaniche. Tanto più sono lunghe le carote, tanto più indietro nel tempo è possibile risalire, tenendo conto peraltro del fatto che il compattamento del ghiaccio dovuto al peso di quello sovrastante, fa sì che, a grandi profondità, nel giro di poche decine di cm, possano essere racchiusi migliaia di anni di storia del clima.
Tanto più è spessa la coltre di ghiaccio, tanto più indietro è possibile risalire nella ricostruzione del clima terrestre: ecco perché se sui ghiacciai alpini le perforazioni riescono a darci informazioni sul clima terrestre delle ultime centinaia, massimo un migliaio di anni fa circa, dal ghiaccio antartico è possibile una ricostruzione del clima terrestre di epoche molto più remote; recentemente, proprio in Antartide, è stata estratta la carota di ghiaccio più lunga di sempre, ben 2,8 km! Dalla sua analisi sarà possibile, nel prossimo futuro, la ricostruzione del clima terrestre di 1,2, forse anche 1,5 milioni di anni fa.
Esistono anche altri tipi di proxy data, quali i sedimenti lacustri o i depositi calcarei di grotta, sebbene il loro impiego per lo studio del paleoclima sia minore.