Разбирането на причините за климатичните промени е изключително важно за тяхното прогнозиране и евентуално предотвратяване. Според последния, Четвърти доклад на Междуправителствената група от експерти по изменение на климата, публикуван в началото на 2007г., вече “с много голяма увереност” може да се твърди, че човешката дейност от 1750г. насам е довела до повишаване на глобалната температура. Това заключение обаче се оспорва от някои учени, според които в изследването на Междуправителствената група се подценява ролята на природните фактори и най-вече на слънчевата изменчивост. Доказано е обаче, че малките изменения на слънчевата активност не могат да обяснят наблюдаваните климатични промени от последните десетилетия. Разбирането на относителния принос на природните и антропогенните фактори за изменението на климата има не само научно, но и политическо и икономическо значение, тъй като приемането на основната роля на човешката дейност за глобалното затопляне предполага сериозни политически решения и скъпо струващи икономически мерки за предотвратяване на отрицателни въздействия вследствие на климатичните промени. Всяка промяна на климата, било тя положителна за едни райони или отрицателна за други, не е желателна, тъй като е свързана със значителни допълнителни средства за преустройство на много от утвърдените производства и дейности. 

Съществуват различни хипотези за климатичните промени в миналото, класифицирани най-общо в три групи: астрономически, физически и геофизични.

• Астрономическите хипотези свързват измененията на климата с изменения в елементите на земната орбита - ексцентрицитета (сплеснатостта) й, прецесията на оста на земното въртене и изменение на ъгъла между земната ос и орбита. Тези изменения оказват различно влияние върху разпределението на потока слънчева радиация. Отчитайки сумарното им действие Миланкович построява крива за отклонението на летните суми на слънчевата радиация от съвременните през последните 65 хил. години. Пероидите, когато тези суми са най-малки доста добре се съгласуват с ледниковите периодите през Четвъртичния период (последните 128 млн. години). За Третичния период обаче няма такова съвпадение - тогава не са открити признаци за заледяване.  
• Физическите хипотези свързват измененията на климата с промени в потока слънчева радиация, достигащ земната повърхност,  предизвикани от физически процеси в самото Слънце и от  изменения в състава на земната атмосфера, както и на развиващите се в нея процеси. Симпсън (1934г.) предлага хипотеза, свързваща измененията на климата с колебанията в интензивността на слънчевата активност с диапазон около 40% и период от порядъка на 100 хил. години. Хипотезата обяснява защо всеки максимум на слънчевата активност се съпровожда с два ледникови периода, разделени от кратък, топъл и влажен междуледников период, а всеки минимум - с дълъг, студен и сух междуледников период. Две пълни колебания в интензивността на слънчевата активност обясняват добре ледниковите и междуледниковите епохи през Четвъртичния период. Тиндал и Арениус обясняват затоплянията и застудяванията с изменението на количеството СО2 в атмосферата, от което зависи интензивността на парниковия ефект. Съгласно тази хипотеза, бурното развитие на растителността в периода преди Карбона е довело до намаляване на количеството СО2 и последващо заледяване.  Хьмфиз обяснява застудяванията с честите вулканични изригвания в геологичното минало на планетата, водещи до понижаване прозрачността на атмосферата и понижаване на температурата. Вулканичната пепел, изхвърлена в атмосферата, се спуска на земната повърхност много бавно (от 1 до 3 години) и освен че силно отразява и разсейва късовълновата слънчева радиация, задържа незначително земното дълговълново излъчване.
• Геофизичните (геолого-географските) хипотези търсят причините за измененията на климата в промени във физикогеографския облик на Земята ( промени в конфигурацията на континентите, изменения в нивото на Световния океан, формиране на планински масиви и др.), които оказват влияние върху разпределението на температурата в общата атмосферна циркулация, океанските течения, площта на криосферата, а от там - върху климата. Най-достоверна изглежда хипотезата на Вегенер-Кьопен за дрейфа на континентите и преместването на земните полюси, съгласно която във всички геологични епохи, започвайки от Карбона, са съществували тези климатични пояси, които проследяваме и днес, но се е променяло положението им. Тази хипотеза се съгласува добре с данните за климатичните изменения в Палеозоя и Мезозоя.

Всяка от горните хипотези, обяснявайки добре едни факти, не е в състояние да обясни други, не по-малко важни. В повечето случаи хипотезите се допълват и много от посочените в тях обяснения по всяка вероятност са имали значение за климата. Някои от идеите, като например тези за ролята на количеството СО2 и количеството аерозоли, са много актуални и днес. Не може да се твърди обаче, че съществува единна теория, която да обяснява причините за изменението на климата в геологичното минало на планетата и в наши дни.