Los mecanismos de retroalimentación positiva y negativa pueden estabilizar o desestabilizar el sistema climático. Las retroalimentaciones positivas tienden a amplificar los cambios en el sistema, mientras que las negativas tienden a estabilizar el sistema frente a los cambios. Algunos ejemplos de retroalimentación dentro del sistema climático son el vapor de agua, el albedo, la radiación y el crecimiento de las plantas. Varios factores contribuyen al cambio climático a corto y largo plazo. Los ciclos del Pleistoceno de condiciones climáticas glaciares e interglaciares pueden haber sido provocados por cambios en los parámetros orbitales de la Tierra (ciclos de Milankovitch). Los cambios en la circulación oceánica (Atlántico Norte) y en las temperaturas de la superficie del mar (El Niño en el Pacífico ecuatorial) están relacionados con las fluctuaciones climáticas a más corto plazo. Los modelos climáticos son simulaciones matemáticas, derivadas de procesos físicos conocidos, que los científicos utilizan para reconstruir entornos pasados, comprender las condiciones actuales y predecir posibles escenarios climáticos futuros. Un sistema mundial de observación meteorológica, junto con la informática digital, ha hecho posible la modelización del clima. Los modelos climáticos más sencillos están pensados para describir únicamente el campo térmico de la superficie con una resolución bastante gruesa. Los modelos más complejos se utilizan en las previsiones meteorológicas. Dado que el principal interés de los modelizadores climáticos es calcular el campo térmico sobre la Tierra, un objetivo primordial es representar la conservación de la energía en cada lugar del sistema. Una serie de mecanismos naturales de retroalimentación, como los debidos al vapor de agua o a la capa de nieve, añaden complejidad e incertidumbre a los modelos climáticos. Los modelos acoplados atmósfera-océano-tierra son necesarios para simular las variaciones naturales del clima actual y su evolución futura.