Nors žmogaus veikla nuo pramonės revoliucijos 1700-aisiais paskatino pastarąjį pasaulinį atšilimą, taip pat yra natūralių klimato pokyčių, atsirandančių dėl įprastų atmosferos pokyčių. Paprastai klimato kaita reiškia nuolatinius oro pokyčius visame pasaulyje, nors tai gali būti apribota tik tam tikru regionu. Natūralią klimato kaitą gali sukelti keli veiksniai arba klimato prievartos, įskaitant plokščių tektoniką, vandenyno pokyčius, planetos posvyrį, orbitos svyravimus ir saulės energijos pokyčius.
Nors mokslininkai klimato kaitą užfiksavo nuo 1800-ųjų, ankstesni orų pokyčiai turi būti paimti iš žodinės istorijos, rašytinių dokumentų ir archeologinių įrodymų. Mokslininkai ledynus dažnai naudoja kaip praeities natūralios klimato kaitos objektyvą, datuojant ledyno pažengimą į priekį, o tai rodo šalčio periodą arba atsitraukimą, nurodant šilumos periodą. Ledo šerdies mėginiai taip pat atskleidžia senovės orus, nes pateikia informaciją apie anglies dioksido kiekį, kuris tam tikru metu buvo atmosferoje. Augalų, gyvūnų, vabzdžių ir žiedadulkių fosilijos taip pat gali būti naudojamos klimato ciklams datuoti, nes tam tikros rūšys išgyvena skirtingomis sąlygomis. Šie įrodymai rodo klimato ciklą, kuriam būdingi ledynmečiai ir šilumos periodai, besitęsiantys toli priešistorinius laikus.
Viena iš svarbių natūralių klimato kaitos priežasčių gali būti priskirta plokščių tektonikai ir žemynų dreifui. Tiesiog po vandenyno ir žemynine pluta arba Žemės dalimi, kurią mato žmonės, yra standus Žemės sluoksnis, vadinamas litosfera. Litosfera yra padalinta į plokštes, kurios juda per gilesnį, karštesnį, skystesnį sluoksnį. Šios plokštės sukelia sausumos masyvo pertvarkymą, ypač tose vietose, kur plokštės gali šlifuoti, sukelti žemės drebėjimus, tolti viena nuo kitos, sukeldamos žemės drebėjimus ir geoterminius taškus, arba susiduria su kita, sukeldamos žemės drebėjimus, kalnų grandines, ugnikalnius ir vandenynų griovius. Šis restruktūrizavimas perkelia sausumos mases iš vieno pasaulio regiono į kitą, keičia vėjo ir vandenyno sroves ir susidaro ugnikalniai – visi veiksniai, galintys sukelti regioninę ar pasaulinę natūralią klimato kaitą.
Ugnikalnių išsiveržimai sukelia vėsinantį poveikį Žemei. Vulkanas išsiverždamas išmeta į atmosferą pelenus ir sieros dioksidą. Ši medžiaga atmosferoje sukuria antklodę, kuri dėl vėjo judėjimo pasiskirsto visame pasaulyje. Pelenai ir sieros dioksidas neleidžia saulės spinduliams prasiskverbti į atmosferą ir sušildyti Žemę. Be šios saulės šviesos Žemė pradeda vėsti.
Tai skiriasi nuo šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas, kurios laisvai praleidžia saulės šviesą per atmosferą į Žemės paviršių, tačiau neleidžia šviesai sklisti atgal į kosmosą ir sukelia atšilimo efektą. Dėl žmogaus veiklos padidėjo anglies dvideginio išmetimas ir sumažėjo Žemės gebėjimas pašalinti anglies dioksidą iš atmosferos.
Bendras Žemės padėties Saulės atžvilgiu kitimo poveikis taip pat prisideda prie natūralios klimato kaitos. Bėgant metams, Žemės pakreipimas keičiasi taip, kad maždaug pusę metų jos šiaurinis galas būtų link Saulės, o kitą pusę pietų galas būtų nukreiptas į Saulę, todėl klimato svyravimai yra sezoniniai. Ašis arba linija, ant kurios Žemė pasvira ir sukasi, laikui bėgant taip pat labai šiek tiek keičiasi, kad kai kurios Žemės sritys būtų labiau apšviestos tiesioginių saulės spindulių nei kitos. Be to, Žemės orbita keičiasi ištisus metus, todėl kai kuriais metų taškais ji yra arčiau Saulės ir jos šilumos nei kitais.
Termohalininė cirkuliacija Žemės vandenynuose, taip pat žinoma kaip vandenyno konvejerio juosta, taip pat daro įtaką natūraliai klimato kaitai. Paprastai termohalininė cirkuliacija yra gilios vandenyno srovės, pernešančios šilumą į įvairias pasaulio dalis. Šį procesą daugiausia skatina nevienodos tankios ir ne tokios tankios masės, kurios siekia stabilizuotis. Šios cirkuliacijos pokyčiai keičia šilumos pasiskirstymą Žemėje ir tai, kiek anglies dvideginio vandenynas gali pašalinti iš atmosferos.