Vaikka ihmisen toiminta 1700-luvun teollisesta vallankumouksesta lähtien on johtanut viimeaikaiseen ilmaston lämpenemiseen, on myös luonnollista ilmastonmuutosta, joka johtuu normaaleista ilmakehän muutoksista. Tyypillisesti ilmastonmuutos tarkoittaa jatkuvaa sään muutosta kaikkialla maapallolla, vaikka se voidaan rajoittaa tiettyyn alueeseen. Luonnollinen ilmastonmuutos voi johtua useista tekijöistä tai ilmastopakoituksista, mukaan lukien levytektoniikka, valtamerten vaihtelut, planeetan kallistus, kiertoradan vaihtelut ja muutokset auringon tehossa.
Vaikka tiedemiehet ovat tallentaneet ilmastonmuutosta 1800-luvulta lähtien, aiemmat säävaihtelut on poimittava suullisista historiasta, kirjallisista asiakirjoista ja arkeologisista todisteista. Tiedemiehet käyttävät usein jäätiköitä linssinä menneeseen luonnolliseen ilmastonmuutokseen, vuodelta jäätikön edetessä, mikä osoittaa kylmän kauden tai vetäytyneen, mikä osoittaa lämpöjaksoa. Jääydinnäytteet valaisevat myös muinaista säätä antamalla tietoa ilmakehän hiilidioksidin määrästä tiettynä ajankohtana. Kasvien, eläinten, hyönteisten ja siitepölyn fossiileja voidaan käyttää myös ilmastosyklien päivämäärään, koska tietyt lajit selviävät erilaisissa olosuhteissa. Nämä todisteet viittaavat ilmastokiertoon, jota leimaavat jääkaudet ja lämpökaudet, jotka ulottuvat kauas esihistoriallisiin aikoihin.
Yksi tärkeä syy luonnolliseen ilmastonmuutokseen voidaan katsoa laattojen tektoniikan ja mantereiden ajautumisen ansioksi. Aivan valtameren ja mannermaisen kuoren tai sen osan alla, jonka ihmiset voivat nähdä, sijaitsee maan jäykkä kerros, jota kutsutaan litosfääriksi. Litosfääri on jaettu levyihin, jotka liikkuvat syvemmän, kuumemman ja nestemäisemmän kerroksen yli. Nämä levyt aiheuttavat maamassan uudelleenjärjestelyä, erityisesti rajoilla, joissa levyt voivat hieroa aiheuttaen maanjäristyksiä, siirtyä pois toisistaan aiheuttaen maanjäristyksiä ja maalämpöpisteitä tai törmäävät toisiinsa aiheuttaen maanjäristyksiä, vuoristoja, tulivuoria ja valtamerihautoja. Tämä rakennemuutos siirtää maa-alueita yhdeltä maailman alueelta toiselle, muuttaa tuuli- ja merivirtoja ja tuottaa tulivuoria, jotka kaikki voivat johtaa alueelliseen tai maailmanlaajuiseen luonnolliseen ilmastonmuutokseen.
Tulivuoren purkaukset aiheuttavat jäähdytysvaikutuksen maapallolla. Kun tulivuori purkautuu, se työntää ilmakehään tuhkaa ja rikkidioksidia. Tämä materiaali luo ilmakehään peiton, joka leviää ympäri maapalloa tuulen liikkeen kautta. Tuhka ja rikkidioksidi estävät auringonvaloa tunkeutumasta ilmakehään ja lämmittämästä maapalloa. Ilman tätä auringonvaloa maapallo alkaa jäähtyä.
Tämä eroaa kasvihuonekaasuista, kuten hiilidioksidista, jotka päästävät auringonvalon vapaasti kulkemaan ilmakehän läpi maan pinnalle, mutta estävät valon kulkeutumisen takaisin avaruuteen, mikä aiheuttaa lämmittävän vaikutuksen. Ihmisen toiminta on lisännyt hiilidioksidipäästöjä ja vähentänyt maapallon kykyä poistaa hiilidioksidia ilmakehästä.
Maan sijainnin vaihteluiden yhteisvaikutukset Auringon suhteen vaikuttavat myös luonnolliseen ilmastonmuutokseen. Vuoden aikana maa muuttaa kaltevuuttaan siten, että sen pohjoispää on noin puolet vuodesta kohti aurinkoa ja toisen puolen vuoden eteläpää kohti aurinkoa, mikä aiheuttaa vuodenaikojen vaihtelua. Akseli tai viiva, jolla maa kallistuu ja pyörii, muuttuu myös hyvin vähän ajan myötä, jolloin jotkin maapallon alueet ovat suorassa auringonvalossa kuin toiset. Lisäksi maapallon kiertorata muuttuu ympäri vuoden niin, että se on joissakin vuoden kohdissa lähempänä Aurinkoa ja sen lämpöä kuin toisissa.
Termohaliinikierto Maan valtamerissä, joka tunnetaan myös nimellä valtameren kuljetinhihna, vaikuttaa myös luonnolliseen ilmastonmuutokseen. Yleensä termohaliinikierto on syviä merivirtoja, jotka kuljettavat lämpöä eri puolille maailmaa. Tätä prosessia ohjaavat suurelta osin epätasaiset tiheät ja vähemmän tiheät massat, jotka pyrkivät vakauttamaan itseään. Muutokset tässä kierrossa muuttavat lämmön jakautumista maan yli ja kuinka paljon hiilidioksidia valtameri pystyy poistamaan ilmakehästä.