En av de mest anmärkningsvärda aspekterna av paleoklimatet är den starka korrespondensen mellan temperatur och koldioxidkoncentrationen i atmosfären som observerats under istidscyklerna under de senaste hundratusen åren. När koldioxidhalten ökar stiger temperaturen. När koldioxidhalten sjunker sjunker temperaturen. En liten del av korrespondensen beror på förhållandet mellan temperatur och koldioxidens löslighet i ythavet, men majoriteten av korrespondensen stämmer överens med en återkoppling mellan koldioxid och klimatet. Dessa förändringar är förväntade om jorden är i strålningsbalans, och de stämmer överens med växthusgasernas roll i klimatförändringarna. Även om det kan tyckas enkelt att fastställa orsak och verkan mellan koldioxid och klimat utifrån vilken förändring som inträffar först, eller på något annat sätt, är det fortfarande ytterst svårt att fastställa orsak och verkan. Dessutom är andra förändringar inblandade i glaciärklimatet, bland annat förändrad vegetation, landytans egenskaper och inlandsisens utbredning.
Andra paleoklimatproxies hjälper oss att förstå oceanernas roll i tidigare och framtida klimatförändringar. Havet innehåller 60 gånger mer kol än atmosfären, och som väntat har förändringarna av koldioxid i atmosfären parallelliserats med förändringarna av kol i havet under de senaste hundratusen åren. Även om havet förändras mycket långsammare än atmosfären spelade havet en viktig roll för tidigare variationer i koldioxidhalten, och det kommer att spela en roll i framtiden under tusentals år.
Slutningsvis avslöjar paleoklimatdata att klimatförändringarna inte bara handlar om temperatur. När koldioxiden har förändrats i det förflutna har många andra aspekter av klimatet också förändrats. Under istiden var snögränserna lägre, kontinenterna torrare och de tropiska monsunerna svagare. Vissa av dessa förändringar kan vara oberoende, medan andra är nära kopplade till den förändrade koldioxidhalten. Det pågår fortfarande intensiv forskning för att förstå vilka av dessa förändringar som kan komma att inträffa i framtiden och hur stora förändringarna kan bli. NOAA:s paleoklimatologiprogram hjälper forskarna att dokumentera de förändringar som har inträffat i det förflutna som ett sätt att förstå framtida klimatförändringar.