Een van de meest opmerkelijke aspecten van de paleoklimatologische gegevens is de sterke overeenkomst tussen temperatuur en de concentratie kooldioxide in de atmosfeer, die is waargenomen tijdens de ijstijden van de afgelopen honderdduizenden jaren. Als de kooldioxideconcentratie stijgt, stijgt de temperatuur. Wanneer de kooldioxideconcentratie daalt, daalt de temperatuur. Een klein deel van de overeenkomst is toe te schrijven aan de relatie tussen temperatuur en de oplosbaarheid van kooldioxide in de oppervlakte-oceaan, maar het grootste deel van de overeenkomst is consistent met een terugkoppeling tussen kooldioxide en klimaat. Deze veranderingen zijn te verwachten als de aarde in stralingsbalans is, en zij zijn in overeenstemming met de rol van broeikasgassen in de klimaatverandering. Hoewel het eenvoudig lijkt om oorzaak en gevolg tussen kooldioxide en klimaat vast te stellen aan de hand van de vraag welke verandering het eerst optreedt, of op een andere manier, blijft het buitengewoon moeilijk om oorzaak en gevolg vast te stellen. Bovendien zijn er andere veranderingen betrokken bij het glaciale klimaat, waaronder veranderde vegetatie, kenmerken van het landoppervlak en omvang van de ijskappen.
Andere paleoklimatologische proxies helpen ons de rol van de oceanen in vroegere en toekomstige klimaatveranderingen te begrijpen. De oceaan bevat 60 keer meer koolstof dan de atmosfeer, en zoals verwacht liepen de veranderingen in koolstofdioxide in de atmosfeer in de afgelopen honderdduizenden jaren parallel met veranderingen in koolstof in de oceaan. Hoewel de oceaan veel langzamer verandert dan de atmosfeer, speelde de oceaan in het verleden een essentiële rol bij de variaties in kooldioxide, en zal dat ook in de toekomst over duizenden jaren het geval zijn.
Finitief blijkt uit paleoklimaatgegevens dat klimaatverandering niet alleen met temperatuur te maken heeft. Toen kooldioxide in het verleden veranderde, veranderden ook veel andere aspecten van het klimaat. Tijdens ijstijden lagen de sneeuwgrenzen lager, waren de continenten droger en waren de tropische moessons zwakker. Sommige van deze veranderingen kunnen op zichzelf staan, andere zijn nauw verbonden met het veranderende kooldioxideniveau. Inzicht in welke van deze veranderingen zich in de toekomst kunnen voordoen, en hoe groot die veranderingen zouden kunnen zijn, blijft een onderwerp van intensief onderzoek. Het paleoklimatologieprogramma van de NOAA helpt wetenschappers bij het documenteren van de veranderingen die zich in het verleden hebben voorgedaan, als een van de manieren om toekomstige klimaatveranderingen te begrijpen.