Et af de mest bemærkelsesværdige aspekter af palæoklimaet er den stærke overensstemmelse mellem temperatur og koncentrationen af kuldioxid i atmosfæren, der er observeret under istidscyklusserne i de sidste flere hundrede tusinde år. Når kuldioxidkoncentrationen stiger, stiger temperaturen. Når kuldioxidkoncentrationen falder, falder temperaturen. En lille del af sammenhængen skyldes forholdet mellem temperatur og kuldioxidens opløselighed i overfladehavet, men størstedelen af sammenhængen er i overensstemmelse med en feedback mellem kuldioxid og klimaet. Disse ændringer er forventelige, hvis Jorden er i strålingsbalance, og de er i overensstemmelse med drivhusgassernes rolle i klimaændringerne. Selv om det kan synes enkelt at bestemme årsag og virkning mellem kuldioxid og klima ud fra, hvilken ændring der sker først eller på anden vis, er det fortsat overordentlig vanskeligt at bestemme årsag og virkning. Desuden er der andre ændringer involveret i istidens klima, herunder ændret vegetation, landoverfladens karakteristika og indlandsisens udbredelse.
Andre palæoklimatiske proxies hjælper os med at forstå havenes rolle i tidligere og fremtidige klimaændringer. Havet indeholder 60 gange mere kulstof end atmosfæren, og som forventet blev ændringerne i kuldioxid i atmosfæren paralleliseret med ændringerne i kulstof i havet i løbet af de sidste flere hundrede tusinde år. Selv om havet ændrer sig meget langsommere end atmosfæren, spillede havet en væsentlig rolle i tidligere tiders variationer i kuldioxid, og det vil spille en rolle i fremtiden over tusinder af år.
Endeligt afslører palæoklimadata, at klimaændringer ikke kun handler om temperatur. I takt med at kuldioxid har ændret sig i fortiden, har mange andre aspekter af klimaet også ændret sig. I istiden var snegrænserne lavere, kontinenterne var mere tørre, og de tropiske monsuner var svagere. Nogle af disse ændringer kan være uafhængige, mens andre er tæt forbundet med det skiftende kuldioxidniveau. Forståelsen af, hvilke af disse ændringer der kan forekomme i fremtiden, og hvor store disse ændringer kan være, er fortsat et emne, som der forskes intenst i. NOAA’s palæoklimatologiske program hjælper forskerne med at dokumentere de ændringer, der er sket i fortiden, som en metode til at forstå fremtidige klimaændringer.