亦称“地质时代气候学”。研究地质时代的气候及其变迁的学科。方法是通过研究地层中生物化石和沉积物等的特性，以阐明各地质时期中气候在时间上和空间上的变迁和分布的规律。例如，借煤层可推断湿润气候，珊瑚礁可推断温暖气候，石膏、岩盐可推断干燥气候，冰碛物可推断寒冷气候等。近数十年来，古气候学与大陆漂移、地磁极变化、地球自转速度变化、海侵海退和大气环流等理论相结合，有不少发展。它与运用历史资料进行的古代历史气候学研究，是不同的。