Veränderungen des Klimas hat es bereits seit Beginn der Erdgeschichte vor vielen Millionen Jahren gegeben. Diese Dynamik wurde damals ausschließlich durch natürliche Faktoren bewirkt, wie etwa Variation der Strahlungsintensität der Sonne, Erdbahnschwankungen, Plattentektonik oder Vulkanausbrüche. Der Wandel des Klimas vollzog sich zumeist über viele Jahrtausende, konnte manchmal aber auch innerhalb einer kürzeren Zeitspanne erfolgen. Er konnte sich an einigen Orten oder aber auch global bemerkbar machen (z.B. mit mittleren Temperaturunterschieden während der letzten Eis- und Warmzeiten von 10-12 Grad Celsius). Spuren dieser Veränderungen können noch heute gefunden werden, z.B. in Form von Sedimentablagerungen in den Ozeanen, eingeschlossenen Gasen im Eis (in der Antarktis oder Grönland) und auch Entwicklungsphasen von Organismen (Baumringe oder Korallen). Diese Informationen werden auch als sog. Proxy-Daten bezeichnet, da sie keine direkten Messungen liefern, sondern nur indirekte Hinweise auf die veränderten Klimabedingungen. Allgemein gilt jedoch: je weiter wir in die Vergangenheit schauen, desto ungenauer werden die Spuren und damit unserer Kenntnisse über die damaligen Prozesse und Zustände. Die Wissenschaft, die sich mit diesen Dingen beschäftigt, nennt man Klima-Paläontologie.

Die Klimaentwicklung der jüngeren Vergangenheit bis heute wird durch Messungen an einzelnen Punkten der Erde seit etwa dem 18. Jahrhundert und weltweit (durch Messdaten von Stationen, Radar und Satelliten) seit wenigen Jahrzehnten erfasst. Ursachen für heutige Veränderungen sind neben den nach wie vor wirksamen natürlichen Faktoren nach gängiger wissenschaftlicher Meinung seit Beginn der Industrialisierung in zunehmendem Maße auch die Aktivitäten des Menschen (vor allem der Ausstoß von Kohlendioxid durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, wie Kohle oder Gas, und die Veränderung der Landnutzung, wie etwa die Abholzung von Waldflächen). So betrug der globale Anstieg der mittleren (bodennahen) Temperatur laut dem 5. Sachstandsbericht des Weltklimarats (IPCC, 2013) zwischen 1880 und 2012 etwa +0,85 Grad Celsius. In Deutschland nahm diese Temperatur im gleichen Zeitraum um etwa +1,2 Grad Celsius zu. In Niedersachsen ist die Temperatur zwischen 1951 und 2015 um etwa 1,6 Grad Celsius gestiegen, während die Niederschläge um etwa 6% zugenommen haben, wobei die Zunahmen vor allem in den Herbst- und Wintermonaten zu verzeichnen waren.

Die mögliche Entwicklung des zukünftigen Klimas wird heutzutage mit Hilfe von leistungsstarken Computern über Modelle simuliert. Diese beinhalten alle bekannten Einflussfaktoren, Prozesse und Wechselwirkungen des Klimageschehens. Anhand vorgegebener Szenarien (die die vom Menschen verursachten Treibhausgas-Emissionen bzw. Konzentrationen beschreiben) wird versucht, die mögliche Entwicklung bestimmter Parameter wie Temperatur und Niederschlag zu berechnen. Die Ergebnisse sind aber aufgrund des derzeit noch immer begrenzten Verständnisses der komplexen Prozesse und deren vereinfachter Abbildung im Modell stets mit gewissen Unsicherheiten behaftet und grundsätzlich nicht als Vorhersage, sondern lediglich als eine mögliche Projektion zu sehen. Ähnlich wie bei dem Rückblick in die Vergangenheit des Klimas gilt aber auch hier: je weiter wir uns vom heutigen Zeitpunkt in Richtung Zukunft entfernen, desto ungenauer werden die Aussagen zu der Entwicklung des Klimas. So produzieren gängige Modelle derzeit Projektionen etwa bis zum Jahr 2100. Für Deutschland projizieren heutige Klimamodelle für ein Szenario, bei dem die Nutzung fossiler Energieträger weiter wie bisher voranschreitet und Klimaschutzstrategien nicht global umgesetzt werden (in der Fachsprache als RCP8.5 bezeichnet) eine Temperaturzunahme von +2,8 bis +5,2 Grad Celsius bis zum Jahr 2100 gegenüber den Verhältnissen der letzten Jahrzehnte. Die Niederschläge würden dabei im Sommer im Mittel leicht abnehmen, während sie in den Wintermonaten deutlich zunehmen können. Die Niederschlagsmenge bei Starkregen nimmt dabei prozentual stärker zu als die mittlere Niederschlagsmenge. Im Falle eines Szenarios, bei dem Klimaschutz konsequent auf globaler Ebene umgesetzt wird, läge die Temperaturzunahme bei +0,7 bis +2,3 Grad Celsius. Die Niederschläge würden sich hierbei nur geringfügig ändern.