La paleoclimatologia (o paleoclimatologia) è lo studio dei cambiamenti del clima durante tutta la storia della Terra. L'interesse moderno per i cambiamenti climatici ha causato un grande aumento dei climi del passato.

I climi del passato possono essere studiati solo per procura. Si ottengono dati da rocce, sedimenti, anelli di ghiaccio e di alberi, coralli, conchiglie e microfossili. Queste registrazioni sono usate per elaborare gli stati passati del clima della Terra e del suo sistema atmosferico.

Gli studi sui cambiamenti della vita e degli ecosistemi del passato possono gettare una luce sul presente. Un esempio è l'effetto del clima sulle estinzioni di massa e il recupero della vita dopo queste estinzioni.