La paléoclimatologie (ou paléoclimatologie) est l'étude des changements climatiques sur toute l'histoire de la Terre. L'intérêt moderne pour le changement climatique a entraîné une forte augmentation des climats du passé.

Les climats du passé ne peuvent être étudiés que par procuration. Les données sont obtenues à partir de roches, de sédiments, de glace et d'anneaux d'arbres, de coraux, de coquillages et de microfossiles. Ces enregistrements sont utilisés pour déterminer les états passés du climat de la Terre et de son système atmosphérique.

L'étude des changements passés dans la vie et les écosystèmes du passé peut jeter un éclairage sur le présent. Un exemple est l'effet du climat sur les extinctions massives et le rétablissement de la vie après ces extinctions.