Um dos aspectos mais notáveis do registro do paleoclima é a forte correspondência entre a temperatura e a concentração de dióxido de carbono na atmosfera observada durante os ciclos glaciais dos últimos cem mil anos. Quando a concentração de dióxido de carbono sobe, a temperatura sobe. Quando a concentração de dióxido de carbono desce, a temperatura desce. Uma pequena parte da correspondência deve-se à relação entre a temperatura e a solubilidade do dióxido de carbono no oceano de superfície, mas a maior parte da correspondência é consistente com um feedback entre o dióxido de carbono e o clima. Estas mudanças são esperadas se a Terra estiver em equilíbrio radiativo, e são consistentes com o papel dos gases de efeito estufa nas mudanças climáticas. Embora possa parecer simples determinar a causa e o efeito entre o dióxido de carbono e o clima a partir do qual a mudança ocorre primeiro, ou de algum outro meio, a determinação da causa e do efeito permanece extremamente difícil. Além disso, outras mudanças estão envolvidas no clima glacial, incluindo vegetação alterada, características da superfície da terra e extensão da camada de gelo.
Outros proxies paleoclimáticos ajudam-nos a compreender o papel dos oceanos nas mudanças climáticas passadas e futuras. O oceano contém 60 vezes mais carbono do que a atmosfera e, como esperado, as mudanças no dióxido de carbono na atmosfera foram paralelas às mudanças no carbono no oceano nos últimos cem mil anos. Enquanto o oceano muda muito mais lentamente do que a atmosfera, o oceano desempenhou um papel essencial nas variações passadas do dióxido de carbono, e irá desempenhar um papel no futuro durante milhares de anos.
Finalmente, dados paleoclimáticos revelam que a mudança climática não é apenas uma questão de temperatura. Como o dióxido de carbono mudou no passado, muitos outros aspectos do clima também mudaram. Durante os tempos glaciais, as linhas de neve eram mais baixas, os continentes eram mais secos, e as monções tropicais eram mais fracas. Algumas dessas mudanças podem ser independentes; outras, estreitamente ligadas à mudança do nível de dióxido de carbono. Compreender quais dessas mudanças podem ocorrer no futuro, e quão grandes essas mudanças podem ser, continua a ser um tópico de pesquisa vigorosa. O Programa de Paleoclimatologia da NOAA ajuda os cientistas a documentar as mudanças que ocorreram no passado como uma abordagem para entender as mudanças climáticas futuras.