Medtem ko je človeška dejavnost od industrijske revolucije v 1700-ih pognala nedavno globalno segrevanje, obstajajo tudi naravne podnebne spremembe, ki nastanejo kot posledica običajnih atmosferskih sprememb. Podnebne spremembe se običajno nanašajo na trajno spremembo vremena po vsem svetu, čeprav je lahko omejena na regijo. Naravne podnebne spremembe lahko povzroči več dejavnikov ali podnebnih sil, vključno s tektoniko plošč, spremembami oceanov, nagibom planeta, orbitalnimi nihanji in spremembami sončne proizvodnje.
Medtem ko znanstveniki podnebne spremembe beležijo že od 1800-ih, je treba prejšnje spremembe v vremenu pobrati iz ustnih zgodovin, pisnih dokumentov in arheoloških dokazov. Znanstveniki pogosto uporabljajo ledenike kot lečo za pretekle naravne podnebne spremembe, datume, ko je ledenik napredoval, kar kaže na prehlad ali se umika, kar kaže na obdobje toplote. Vzorci ledenih jeder prav tako osvetljujejo starodavno vreme z zagotavljanjem informacij o količini ogljikovega dioksida, ki je bil v ozračju v določenem času. Fosili rastlin, živali, žuželk in cvetnega prahu se lahko uporabljajo tudi za datiranje podnebnih ciklov, saj nekatere vrste preživijo v različnih pogojih. Ti dokazi kažejo na podnebni cikel, ki ga zaznamujejo ledene dobe in obdobja toplote, ki segajo daleč nazaj v prazgodovino.
Eden od pomembnih razlogov za naravne podnebne spremembe je mogoče pripisati tektoniki plošč in premiku celin. Tik pod oceansko in celinsko skorjo oziroma delom Zemlje, ki ga ljudje lahko vidijo, leži tog sloj Zemlje, imenovan litosfera. Litosfera je razdeljena na plošče, ki se premikajo po globlji, toplejši, bolj tekoči plasti. Te plošče povzročajo prestrukturiranje kopnega, zlasti na mejah, kjer se plošče lahko drobijo, povzročajo potrese, se odmikajo ena od druge, povzročajo potrese in geotermalna žarišča, ali trčijo v drugo, kar povzroča potrese, gorske verige, vulkane in oceanske jarke. To prestrukturiranje premika kopne iz ene regije sveta v drugo, spreminja vetrne in oceanske tokove ter proizvaja vulkane, vse dejavnike, ki lahko vodijo do regionalnih ali globalnih naravnih podnebnih sprememb.
Izbruhi vulkanov povzročajo hladilni učinek na Zemljo. Ko vulkan izbruhne, v ozračje izmeta pepel in žveplov dioksid. Ta material ustvarja odejo v ozračju, ki se z gibanjem vetra porazdeli po vsem svetu. Pepel in žveplov dioksid preprečujeta prodiranje sončne svetlobe v ozračje in segrevanje Zemlje. Brez te sončne svetlobe se Zemlja začne ohlajati.
To se razlikuje od toplogrednih plinov, kot je ogljikov dioksid, ki svobodno prepuščajo sončno svetlobo skozi atmosfero na zemeljsko površino, vendar preprečujejo, da bi svetloba potovala nazaj proti vesolju, kar povzroča učinek segrevanja. Človeške dejavnosti so povzročile povečanje izpustov ogljikovega dioksida in padec sposobnosti Zemlje, da odstrani ogljikov dioksid iz ozračja.
Kombinirani učinki variacij v položaju Zemlje do Sonca prav tako prispevajo k naravnim podnebnim spremembam. Tekom leta Zemlja spremeni svoj nagib, tako da je njen severni konec približno polovico leta proti Soncu, južni konec pa drugo polovico, kar povzroči sezonsko nihanje podnebja. Os ali črta, na kateri se Zemlja nagiba in vrti, se sčasoma zelo rahlo spremeni, da so nekatera področja Zemlje bolj neposredno sončna kot druga. Poleg tega se Zemljina orbita spreminja skozi vse leto, tako da je v nekaterih točkah leta bližje Soncu in njegovi toploti kot v drugih.
Termohalinsko kroženje v zemeljskih oceanih, znano tudi kot oceanski tekoči trak, vpliva tudi na naravne podnebne spremembe. Na splošno so termohalinski tokovi globoki oceanski tokovi, ki prenašajo toploto v različne dele sveta. Ta proces v veliki meri poganjajo neenake mase gostih in manj gostih, ki se želijo stabilizirati. Spremembe v tem kroženju spremenijo, kako se toplota porazdeli po Zemlji in koliko ogljikovega dioksida lahko ocean odstrani iz ozračja.