Globalna klima, kao i regionalne klime se stalno menjaju u vremenskim periodima od nekoliko meseci do nekoliko miliona godina. Ovo utiče na prirodu i društvo, koji stalno moraju da se prilagođavaju na promene. Veliki broj faktora može da izazove promene klime na ovim različitim vremenskim skalama.

Neki faktori su unutrašnji, dok su drugi su spoljašnji, a pored toga mogu da se dogode prirodnim putem ili kao posledica aktivnosti ljudi. Pored fizičkog mehanizma klimatske promenljivosti, postoje i nasumične, haotične fluktacije u samom klimatskom sistemu, koje značajno utiču na prirodne promene.

Na vremenskoj skali od jedne godine postoje značajne promene dolazećeg solarnog zračenja u gornjem delu atmosfere. Ove promene se događaju u toku kretanja Zemlje između periheliona (najbliža tačka Suncu) i afela (najdalja tačka od Sunca).

Ipak, godišnji ciklus je uglavnom određen činjenicom da nagib Zemljine ose ostaje fiksiran kako kruži oko Sunca. Kada je Južni pol nagnut ka Suncu, južna hemisfera prima maksimum solarne iradijacije u godini i na ovoj hemisferi je leto. Šest meseci kasnije, kada ja pol nagnut od Sunca leto je na severnoj hemisferi.

Postoji kašnjenje, od nekoliko nedelja, između godišnjih ciklusa solarnog zračenja i temperature na većini lokacija. To je posledica zagrevanja i hlađenja okeana, koji sporije reaguju na promene u solarnom zračenju nego kopnene mase.

Na srednjim i višim geografskim širinama godišnji ciklus solarnog zračenja rezultuje relativno velikim promenama u vremenskim prilikama tokom godine. Ove promene pokazuju precizne sezone leta, jeseni, zime i proleća.

Na nekim lokacijama opseg uslova koji se osećaju tokom meseca ili sezone može da bude tako velik da srednje vrednosti za taj period uopšte nemaju smisla. U tropskim regijama gde varijacije u solarnoj iradijaciji nisu velike sezonski ciklusi se definišu kao suva i vlažna sezona.

Čak i bez ikakvih promena u količini energije koju Zemlja prima od Sunca promene u orbitalnim parametrima Zemlje značajno utiču na oblikovanje i distribuciju dolazeće energije.

Postoje tri glavna tipa promena u orbiti Zemlje: ciklus od 22.000 godina-precesija ravnodnevnice, ciklus nagiba na svakih 41.000 godina i 100.000 godišnji ciklus u ekscentričnosti orbite Zemlje.

Ove fluktacije iskoristio je Milutin Milanković 1938. godine da izračuna promene u solarnom zračenju koje dospeva na površinu Zemlje. Te vrednosti pokazale su veoma dobro poklapanje sa klimatskim zapisima u geološkoj istoriji.

Intenzitet energije sa Sunca varira tokom vremena. Promene povezane sa 11-godišnjim ciklusom pega na Suncu neki smatraju za veoma važan uticaj na varijabilnost klime. Iako su promene u emitovanoj energiji male (reda 0,1-0,4%), smatraju se kao moguća objašnjenja za značajne klimatske promene na Zemlji.

Često se ukazuje na to da je Malo ledeno doba, koje je trajalo od 13. do sredine 19. veka, povezano sa minimalnim brojem pega na Suncu u 17. Veku (Maunderov minimum).

Usled efekta na dinamiku kretanja vazduha ka polovima koji pokreće toplota sa ekvatora, rotacija Zemlje je kritična za određivanje geografskih širina silazne i uzlazne srednje meridijanske cirkulacije.

Iako se tokom vremena događaju manje fluktacije, ne postoji dokaz nedavnih promena u rotaciji Zemlje koja bi dovela do značajnih promena klime.

Velike vulkanske erupcije mogu ubaciti značajne količine sulfata i drugih čestica u stratosferu umanjujući količinu solarnog zračenja koja dospeva na površinu Zemlje. Kao posledica ovoga može doći do hlađenja na površini do 0,5 °C u periodu od nekoliko godina i više.

Ovo hlađenje može da izazove anomaliju u klimatskom sistemu čiji efekti mogu da se ispoljavaju više decenija. Veruje se da je značajan deo promena u globalnoj srednjoj temperaturi izazvan usled efekta vulkanskih erupcija.

Najveća erupcija u 20. veku dogodila se 15. juna 1991. godine na Filipinima kada je eruptirao vulkan Pinatubo. Procenjuje se da je između 15 i 20 miliona tona sumpora ubrizgano u stratosferu. Ovo se brzo proširilo po tropima proizvodeći veo izmaglice i fantastične zalaske i izlaske Sunca koji su trajali više od dve godine nakon erupcije. Toplije temperature usledile su ponovo u 1994. nakon disperzije stratosferskih aerosola.

Ove promene, kao rezultat geoloških procesa, mogu uticati na obrasce apsorpcije solarnog zračenja i mogu fizički da utiču na atmosfersku i okeansku cirkulaciju. Takve promene imaju veliki uticaj na globalnu klimu tokom dužeg vremenskog perioda.

Čak i u odsustvu spoljnih uticaja, promene klimatskog sistema putem prirodnih oscilacija dešavaju se u periodima od nekoliko meseci pa do nekoliko hiljada godina. Postoji nekoliko poznatih prirodnih oscilacija koje su identifikovane kroz analize posmatranih podataka: El Ninjo – Južna oscilacija, Pacifička dekadna oscilacija i Severnoatlantska oscilacija.

Jedna od najpoznatijih unutrašnjih fluktacija klimatskog sistema je povezana sa fenomenom El Ninja. Nastaje u periodu od 3 do 8 godina i pokazuje veoma dobro definisan ciklus zagrevanja i hlađenja centralnog Pacifika. Tokom ovog fenomena menja se obrazac padavina, nastaje suša u istočnoj Australiji i događaju se druge promene na planeti.