ในขณะที่กิจกรรมของมนุษย์ตั้งแต่การปฏิวัติอุตสาหกรรมในปี 1700 ได้ผลักดันภาวะโลกร้อนเมื่อเร็ว ๆ นี้ยังมีการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศตามธรรมชาติที่เกิดขึ้นเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศตามปกติ โดยทั่วไปการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศหมายถึงการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศที่ยั่งยืนทั่วโลกถึงแม้ว่ามันจะถูก จำกัด ในภูมิภาค การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศตามธรรมชาติอาจเกิดจากปัจจัยหลายอย่างหรือการพยากรณ์สภาพภูมิอากาศรวมถึงการแปรสัณฐานของแผ่นเปลือกโลกการแปรผันของมหาสมุทรการเอียงของดาวเคราะห์ความผันผวนของวงโคจรและการเปลี่ยนแปลงของพลังงานแสงอาทิตย์
ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ได้บันทึกการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 การเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศก่อนหน้านี้จะต้องรวบรวมจากประวัติปากเอกสารที่เป็นลายลักษณ์อักษรและหลักฐานทางโบราณคดี นักวิทยาศาสตร์มักใช้ธารน้ำแข็งเป็นเลนส์ในการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศตามธรรมชาติที่ผ่านมาสืบเนื่องจากธารน้ำแข็งขั้นสูงบ่งบอกถึงการสะกดเย็นหรือถอยกลับซึ่งบ่งบอกถึงช่วงเวลาแห่งความอบอุ่น ตัวอย่างแกนน้ำแข็งยังฉายแสงให้กับสภาพอากาศโบราณด้วยการให้ข้อมูลเกี่ยวกับปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่อยู่ในชั้นบรรยากาศตามเวลาที่กำหนด ฟอสซิลของพืชสัตว์แมลงและละอองเรณูอาจถูกนำมาใช้เพื่อวัฏจักรของสภาพอากาศในขณะที่บางชนิดอยู่รอดภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน หลักฐานนี้ชี้ไปที่วัฏจักรสภาพอากาศที่มียุคน้ำแข็งและช่วงเวลาแห่งความอบอุ่นที่ย้อนกลับไปสู่ยุคก่อนประวัติศาสตร์
เหตุผลหนึ่งที่สำคัญสำหรับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศตามธรรมชาติอาจเกิดจากการแปรสัณฐานของแผ่นเปลือกโลกและการเลื่อนของทวีป ภายใต้เปลือกโลกมหาสมุทรและทวีปหรือส่วนหนึ่งของโลกที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้ชั้นของโลกที่เรียกว่า ธรณี ภาค ธรณีภาคแบ่งออกเป็นแผ่นเปลือกโลกที่เคลื่อนผ่านชั้นของเหลวที่ลึกและร้อนกว่า แผ่นเปลือกโลกเหล่านี้ก่อให้เกิดการปรับโครงสร้างของทวีปโดยเฉพาะบริเวณที่แผ่นเปลือกโลกอาจทำให้เกิดแผ่นดินไหวเคลื่อนย้ายออกจากกันทำให้เกิดแผ่นดินไหวและฮอตสปอตจากความร้อนใต้พิภพหรือเกิดการชนกันทำให้เกิดแผ่นดินไหว การปรับโครงสร้างนี้ย้ายทวีปจากภูมิภาคหนึ่งของโลกไปยังอีกโลกหนึ่งเปลี่ยนลมและกระแสน้ำในมหาสมุทรและก่อให้เกิดภูเขาไฟทุกปัจจัยที่สามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศตามธรรมชาติของภูมิภาคหรือโลก
การปะทุของภูเขาไฟทำให้เกิดผลเย็นบนโลก เมื่อภูเขาไฟระเบิดมันจะปล่อยเถ้าและซัลเฟอร์ไดออกไซด์ออกสู่บรรยากาศ วัสดุนี้สร้างผ้าห่มในบรรยากาศที่กระจายไปทั่วโลกผ่านการเคลื่อนที่ของลม เถ้าและซัลเฟอร์ไดออกไซด์ปิดกั้นแสงแดดจากการซึมผ่านของชั้นบรรยากาศและทำให้โลกร้อนขึ้น หากปราศจากแสงอาทิตย์นี้โลกก็จะเริ่มเย็นลง
สิ่งนี้แตกต่างจากก๊าซเรือนกระจกเช่นคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งปล่อยให้แสงอาทิตย์ผ่านชั้นบรรยากาศไปยังพื้นผิวโลกได้อย่างอิสระ แต่ปิดกั้นแสงจากการเดินทางกลับสู่อวกาศทำให้เกิดภาวะโลกร้อน กิจกรรมของมนุษย์ทำให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นและความสามารถของโลกในการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศ
ผลรวมของความแปรปรวนในตำแหน่งของโลกต่อดวงอาทิตย์ยังช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศตามธรรมชาติ ตลอดทั้งปีโลกเปลี่ยนความเอียงเพื่อให้ทิศเหนืออยู่ทางดวงอาทิตย์ประมาณครึ่งปีและทางใต้อยู่ทางดวงอาทิตย์อีกครึ่งหนึ่งทำให้เกิดความแปรปรวนตามฤดูกาลของสภาพอากาศ แกนหรือเส้นที่โลกเอียงและหมุนก็เปลี่ยนไปตามเวลาเล็กน้อยเพื่อให้บางส่วนของโลกอยู่ในแสงแดดโดยตรงมากกว่าที่อื่น นอกจากนี้วงโคจรของโลกมีการเปลี่ยนแปลงตลอดทั้งปีเพื่อให้ใกล้กับดวงอาทิตย์และความร้อนของมันในบางจุดของปีมากกว่าที่อื่น ๆ
การไหลเวียนของความร้อนในมหาสมุทรในมหาสมุทรของโลกหรือที่รู้จักในชื่อสายพานลำเลียงของมหาสมุทรก็ส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศตามธรรมชาติ โดยทั่วไปการไหลเวียนของเทอร์โมไลน์จะเป็นกระแสมหาสมุทรลึกที่ส่งผ่านความร้อนไปยังส่วนต่างๆของโลก กระบวนการนี้ส่วนใหญ่ขับเคลื่อนด้วยฝูงที่มีความหนาแน่นไม่เท่ากันและมีความหนาแน่นน้อยกว่าพยายามที่จะสร้างความมั่นคงให้กับตัวเอง การเปลี่ยนแปลงในการหมุนเวียนนี้เปลี่ยนวิธีการกระจายความร้อนทั่วโลกและปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่มหาสมุทรสามารถกำจัดออกจากชั้นบรรยากาศได้
