Paleoklimatologie (of paleoklimatologie) is de studie van klimaatveranderingen in de loop van de hele geschiedenis van de aarde. De moderne belangstelling voor klimaatverandering heeft geleid tot een grote toename van het onderzoek naar de klimaten van het verleden.

De klimaten uit het verleden kunnen alleen bij benadering worden bestudeerd. Gegevens worden verkregen uit gesteenten, sedimenten, ijs- en boomringen, koralen, schelpen en microfossielen. Deze gegevens worden gebruikt om na te gaan hoe het klimaat en de atmosfeer van de aarde er in het verleden uitzagen.

Studies van veranderingen in het leven en de ecosystemen van het verleden kunnen een licht werpen op het heden. Een voorbeeld is het effect van het klimaat op massa-extincties en het herstel van het leven na die extincties.