Para reconstruir los cambios climáticos que ocurrieron antes de mediados del siglo XIX, es necesario utilizar mediciones «indirectas», es decir, registros de otros fenómenos naturales que miden indirectamente diversas condiciones climáticas.
Algunos elementos, como la mayoría de los núcleos de sedimentos y los registros de polen, la evidencia de la morrena glacial y los perfiles de temperatura geotérmica de los pozos, se resuelven o datan de manera aproximada y, por lo tanto, solo son útiles para describir los cambios climáticos en escalas de tiempo largas.
Otros, como los anillos de crecimiento de los árboles o los isótopos de oxígeno de los corales y los núcleos de hielo, pueden proporcionar un registro de los cambios climáticos anuales o incluso estacionales.
Los datos de estos elementos deben calibrarse según principios físicos conocidos o relacionarse estadísticamente con los registros recopilados por instrumentos modernos, como los satélites.
Las redes de datos se pueden usar para inferir patrones de cambio en las variables climáticas, como el comportamiento de la temperatura de la superficie a lo largo del tiempo y la geografía.
Las reconstrucciones anuales de las variables climáticas son posibles durante los últimos 1.000 a 2.000 años usando registros con fecha anual, pero las reconstrucciones más antiguas en el tiempo generalmente se basan en evidencia resuelta de manera más gruesa, como los sedimentos oceánicos y los registros de polen.
Para estos, los registros de condiciones pueden reconstruirse solo en escalas de tiempo de cientos o miles de años. Además, dado que hay relativamente pocos registros a largo plazo disponibles para el hemisferio sur, la mayoría de las reconstrucciones se centran en el hemisferio norte.
Las diversas reconstrucciones basadas en elementos como la temperatura superficial promedio del hemisferio norte difieren en sus detalles.
Estas diferencias son el resultado de incertidumbres implícitas en los datos mismos y también de diferencias en los métodos estadísticos utilizados para relacionar los datos con la temperatura de la superficie.
Sin embargo, todos los estudios revisados en el Cuarto Informe de Evaluación (AR4) del IPCC, que se publicó en 2007, indican que la temperatura promedio de la superficie desde aproximadamente 1950 es más alta que en cualquier otro momento durante los 1.000 años anteriores.