Paleoklimatológia (alebo paleoklimatológia) je štúdium klimatických zmien počas celej histórie Zeme. Moderný záujem o klimatické zmeny spôsobil veľký nárast záujmu o klímu v minulosti.

Minulé podnebie možno skúmať len sprostredkovane. Údaje sa získavajú z hornín, sedimentov, letokruhov ľadu a stromov, koralov, mušlí a mikrofosílií. Tieto záznamy sa používajú na zistenie minulých stavov klímy Zeme a jej atmosférického systému.

Štúdium minulých zmien v živote a ekosystémoch v minulosti môže vrhnúť svetlo na súčasnosť. Príkladom je vplyv klímy na masové vymieranie a obnovu života po tomto vymieraní.