Uno de los aspectos más notables del registro paleoclimático es la fuerte correspondencia entre la temperatura y la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera observada durante los ciclos glaciares de los últimos cientos de miles de años. Cuando la concentración de dióxido de carbono aumenta, la temperatura también lo hace. Cuando la concentración de dióxido de carbono disminuye, la temperatura también lo hace. Una pequeña parte de la correspondencia se debe a la relación entre la temperatura y la solubilidad del dióxido de carbono en el océano superficial, pero la mayor parte de la correspondencia es coherente con una retroalimentación entre el dióxido de carbono y el clima. Estos cambios son esperables si la Tierra está en equilibrio radiativo, y son coherentes con el papel de los gases de efecto invernadero en el cambio climático. Aunque podría parecer sencillo determinar la causa y el efecto entre el dióxido de carbono y el clima a partir de qué cambio se produce primero, o de algún otro medio, la determinación de la causa y el efecto sigue siendo excesivamente difícil. Además, en el clima glacial intervienen otros cambios, como la alteración de la vegetación, las características de la superficie terrestre y la extensión de la capa de hielo.
Otros indicadores paleoclimáticos nos ayudan a comprender el papel de los océanos en el cambio climático pasado y futuro. El océano contiene 60 veces más carbono que la atmósfera y, como era de esperar, los cambios de dióxido de carbono en la atmósfera fueron paralelos a los cambios de carbono en el océano durante los últimos cientos de miles de años. Aunque el océano cambia mucho más lentamente que la atmósfera, el océano desempeñó un papel esencial en las variaciones pasadas del dióxido de carbono, y desempeñará un papel en el futuro a lo largo de miles de años.
Por último, los datos paleoclimáticos revelan que el cambio climático no sólo tiene que ver con la temperatura. Como el dióxido de carbono ha cambiado en el pasado, muchos otros aspectos del clima también cambiaron. Durante las épocas glaciares, las líneas de nieve eran más bajas, los continentes eran más secos y los monzones tropicales eran más débiles. Algunos de estos cambios pueden ser independientes, mientras que otros están estrechamente ligados al nivel cambiante de dióxido de carbono. Entender cuáles de estos cambios podrían producirse en el futuro, y la magnitud de los mismos, sigue siendo un tema de intensa investigación. El Programa de Paleoclimatología de la NOAA ayuda a los científicos a documentar los cambios que se han producido en el pasado como una forma de entender el cambio climático futuro.