Yksi paleoilmastoaineiston huomattavimmista piirteistä on lämpötilan ja hiilidioksidipitoisuuden voimakas vastaavuus ilmakehän lämpötilan ja hiilidioksidipitoisuuden välillä, joka on havaittu jääkauden aikana viimeisten satojen tuhansien vuosien aikana. Kun hiilidioksidipitoisuus nousee, lämpötila nousee. Kun hiilidioksidipitoisuus laskee, lämpötila laskee. Pieni osa vastaavuudesta johtuu lämpötilan ja hiilidioksidin liukoisuuden välisestä suhteesta pintamereen, mutta suurin osa vastaavuudesta on johdonmukainen hiilidioksidin ja ilmaston välisen palautteen kanssa. Nämä muutokset ovat odotettavissa, jos maapallo on säteilytasapainossa, ja ne ovat sopusoinnussa kasvihuonekaasujen roolin kanssa ilmastonmuutoksessa. Vaikka tuntuisi yksinkertaiselta määrittää syy ja seuraus hiilidioksidin ja ilmaston välillä siitä, kumpi muutos tapahtuu ensin, tai jostain muusta syystä, syyn ja seurauksen määrittäminen on edelleen erittäin vaikeaa. Lisäksi jääkausi-ilmastoon liittyy muitakin muutoksia, kuten muuttunut kasvillisuus, maanpinnan ominaisuudet ja jääpeitteen laajuus.
Muut paleoilmaston proksit auttavat meitä ymmärtämään valtamerten roolia menneessä ja tulevassa ilmastonmuutoksessa. Meri sisältää 60 kertaa enemmän hiiltä kuin ilmakehä, ja odotetusti ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden muutokset ovat olleet samansuuntaisia kuin hiilipitoisuuden muutokset meressä viimeisten satojen tuhansien vuosien aikana. Vaikka valtameri muuttuu paljon hitaammin kuin ilmakehä, valtamerellä oli olennainen rooli hiilidioksidin menneisyyden vaihteluissa, ja sillä tulee olemaan rooli myös tulevaisuudessa tuhansien vuosien ajan.
Loppujen lopuksi paleoilmastotiedot paljastavat, että ilmastonmuutoksessa ei ole kyse vain lämpötilasta. Kun hiilidioksidi on muuttunut menneisyydessä, myös monet muut ilmaston osatekijät ovat muuttuneet. Jääkausien aikana lumirajat olivat matalampia, mantereet kuivempia ja trooppiset monsuunit heikompia. Jotkin näistä muutoksista voivat olla riippumattomia, toiset taas ovat tiukasti sidoksissa hiilidioksidipitoisuuden muutoksiin. Sen ymmärtäminen, mitkä näistä muutoksista voivat tapahtua tulevaisuudessa ja kuinka suuria nämä muutokset voivat olla, on edelleen vilkkaan tutkimuksen kohteena. NOAA:n paleoklimatologian ohjelma auttaa tutkijoita dokumentoimaan menneisyydessä tapahtuneita muutoksia, mikä on yksi tapa ymmärtää tulevaa ilmastonmuutosta.