A paleoklimatikus adatok egyik legfigyelemreméltóbb aspektusa a hőmérséklet és a szén-dioxid légköri koncentrációja közötti szoros megfelelés, amely az elmúlt több százezer év jégkorszaki ciklusai során figyelhető meg. Amikor a szén-dioxid-koncentráció emelkedik, a hőmérséklet is emelkedik. Amikor a szén-dioxid-koncentráció csökken, a hőmérséklet csökken. A megfelelés egy kis része a hőmérséklet és a szén-dioxid felszíni óceánban való oldhatósága közötti kapcsolatnak köszönhető, de a megfelelés nagy része összhangban van a szén-dioxid és az éghajlat közötti visszacsatolással. Ezek a változások várhatóak, ha a Föld sugárzási egyensúlyban van, és összhangban vannak az üvegházhatású gázok éghajlatváltozásban betöltött szerepével. Bár egyszerűnek tűnhet a szén-dioxid és az éghajlat közötti ok-okozati összefüggés meghatározása abból, hogy melyik változás következik be először, vagy valamilyen más módon, az ok-okozati összefüggés meghatározása továbbra is rendkívül nehéz. Ráadásul a glaciális éghajlatban más változások is szerepet játszanak, beleértve a megváltozott növényzetet, a szárazföld felszínének jellemzőit és a jégtakaró kiterjedését.
Az óceánoknak a múltbeli és jövőbeli klímaváltozásban játszott szerepét más paleoklimatikus proxyk is segítenek megérteni. Az óceán 60-szor több szenet tartalmaz, mint a légkör, és ahogyan az várható volt, a légkör szén-dioxidjának változásaival párhuzamosan az óceán szénszintje is változott az elmúlt több százezer évben. Bár az óceán sokkal lassabban változik, mint a légkör, az óceán alapvető szerepet játszott a szén-dioxid múltbeli változásaiban, és a jövőben is szerepet fog játszani több ezer éven keresztül.
Végezetül a paleoklíma adatokból kiderül, hogy az éghajlatváltozás nem csak a hőmérsékletről szól. Ahogy a szén-dioxid változott a múltban, úgy változott az éghajlat számos más aspektusa is. A jégkorszakok idején a hóhatárok alacsonyabbak voltak, a kontinensek szárazabbak voltak, és a trópusi monszunok gyengébbek voltak. E változások némelyike független lehet, mások szorosan kapcsolódnak a szén-dioxid szintjének változásához. Annak megértése, hogy mely változások következhetnek be a jövőben, és hogy ezek a változások mekkorák lehetnek, továbbra is élénk kutatás tárgyát képezi. A NOAA paleoklimatológiai programja segít a tudósoknak dokumentálni a múltban bekövetkezett változásokat, ami a jövőbeli éghajlatváltozás megértésének egyik megközelítése.