Cổ khí hậu học (tiếng Anh: paleoclimatology hay palaeoclimatology) là nghiên cứu về biến đổi trong khí hậu được thực hiện trên quy mô của toàn bộ lịch sử Trái Đất. Nó sử dụng nhiều phương pháp proxy từ Trái Đất và khoa học sự sống để có được dữ liệu được bảo tồn trước đây trong các thứ như đá, trầm tích, dải băng, tree rings, san hô, shells, và microfossils.Sau đó, nó sử dụng các dữ liệu để xác định trạng thái trong quá khứ của các vùng khí hậu khác nhau của Trái Đất và hệ thống khí quyển của nó. Các nghiên cứu về những thay đổi trong quá khứ của môi trường và đa dạng sinh học thường phản ánh về tình hình hiện tại, cụ thể là tác động của khí hậu đến sự tuyệt chủng hàng loạt và phục hồi sinh học.