Die Suche nach den Ursachen für Eiszeiten gehört auch heute noch zu den spannendsten Herausforderungen für die Paläoklimatologie. Seit etwa 1 Millionen Jahren ist es global nicht ca. bedeutend kühler, sondern das Klima wechselt auch zwischen zwei Extremen, den Eiszeiten (Glazialen) und Warmzeiten (Interglazialen) mit einer Periode von etwa 100 Tausend Jahren. Das letzte glaziale Maximum (LGM) war vor etwa 21 Tausend Jahren, es gab bis zu 3 km mächtige Eisschilde, zu dem Beispiel in dem heutigen Ostseeraum und dem Kanadischen Schild, der Meeresspiegel lag 130 m unter dem heutigen Niveau, die globale Durchschnittstemperatur war 5 bis 6°C niedriger. Aus den Gaseinschlüssen in polarem Eis weiß man, dass die atmosphärische Konzentration der Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂) ca. 70 Prozent und Methan (CH₄) ca. 50 Prozent des vorindustriellen Wertes betrug (CO₂ in dem LGM 200 ppmv, vorindustriell 288; heute 370; CH₄ in dem LGM 350 ppbv, vorindustriell 750, heute 1750). Heute werden etwa 10 Prozent der Erdoberfläche von Eis bedeckt. Am Höhepunkt der letzten Eiszeit waren es 32%, allerdings ist die Veränderung in der Antarktis in dem Vergleich zur Arktis nicht so dramatisch. Man nimmt an, dass dies vor allem darauf zurückzuführen ist, dass der Eisaufbau auf dem Land und flachen Schelfen der Nordhemisphäre effektiver ist als in zirkumantarktischen Ozeangebieten.

Bei den Eiszeiten breiteten sich innerhalb weniger hundert Jahre die Eismassen von Arktis, Antarktis und den Gebirgen stark aus und bedeckten große Teile Europas, Asiens, Japans und Nordamerikas. Zu den Spuren der Eiszeiten gehören zu dem Beispiel Moränen, Gletscherschrammen und Findlinge. Auch die heutigen Gletscher sind Reste der letzten Vereisungen. Durch die Bildung kontinentaler Eismassen wurde den Meeren massiv Wasser entzogen, wodurch viele Landbrücken entstanden und Meere wie die Nordsee und das Mittelmeer trocken fielen.

In Mitteleuropa werden die Eiszeiten nach Flüssen benannt, die in dem allgemeinen die weiteste Ausdehnung der Eisschilde angeben. In Süddeutschland ging die Vereisung von den Alpengletschern aus, in Norddeutschland kam das Eis aus dem baltischen Raum. Deswegen werden in dem Alpenraum und Norddeutschland unterschiedliche Flüsse zur Namensgebung synchroner Vereisungen benutzt.

Die Eiszeiten Mitteleuropas wurden benannt nach Flüssen des süddeutschen bzw norddeutschen Raumes.

Alle Eiszeiten hatten erhebliche Auswirkungen auf die Fauna und Flora ihrer Zeit. Charakteristisch waren etwa Tiere wie Mammuts, Mastodonten, Säbelzahntigern, Höhlenlöwen, Höhlenbären und weiteren Formen. Auch lebten der Homo heidelbergensis, der Neandertaler und der Homo sapiens bzw. in Europa während der Eiszeiten.

Auch die ältere Erdgeschichte ist durch das Auftreten bedeutender Vereisungsphasen geprägt. Die so genannte "Schneeball Erde"-Theorie geht davon aus, dass die Erde in ihrer Frühzeit vor etwa 700 bis 600 Millionen Jahren mehrmals fast komplett von Eis bedeckt war, was die Entstehung des Lebens weit hinauszögerte. Klimamodelle der frühen Erde unterstützen diese Theorie mittlerweile zunehmend. Die Vermutung einer Eiszeit als Ursache für das Artensterben zu Beginn des Mesozoikums wurde dagegen mittlerweile widerlegt.

Die Suche nach den Ursachen für die zyklisch auftretenden Eiszeiten und Warmzeiten ist eng mit den Namen James Croll und Milutin Milankovitch verbunden. Beide hatten Ideen des Franzosen Joseph Alphonse Adhémar weiterentwickelt, wonach Veränderungen der Erdbahngeometrie für wiederkehrende Eiszeiten verantwortlich waren. Die Veränderung der Erdbahngeometrie wiederum wird durch wechselseitige Gravitationskräfte in dem System Sonne, Erde, Mond hervorgerufen. Durch diese Gravitationskräfte ändert sich die Form der elliptischen Erdumlaufbahn um die Sonne mit einer Periode von etwa 100 Tausend Jahren (Exzentrizität), die Neigung der Erdachse zur Umlaufbahn mit einer Periode von etwa 40 Tausend Jahren (Schiefe der Ekliptik), während die Tag-Nacht-Gleiche auf der elliptischen Umlaufbahn etwa nach 20 Tausend Jahren dieselbe Position auf der Ellipse einnimmt (Präzession). Durch diese so genannten Milankovitch-Zyklen verändert sich die Verteilung der Sonnenenergie auf der Erde. Angeregt durch den deutschen Meteorologen Wladimir Peter Köppen formulierte Milankovitch 1941 in seiner Arbeit "Der Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitproblem" die Hypothese, dass eine Eiszeit stets dann auftritt, wenn die Sommersonneneinstrahlung in hohen nördlichen Breiten minimal wird. Kühle Sommer sind nach Köppen für den Eisaufbau entscheidender als kalte Winter. Milankovitch suchte also dort nach den Ursachen für Eiszeiten, wo sie am offensichtlichsten sind, in den hohen nördlichen Breiten.

In jüngster Zeit gerät die Milankovitch-Theorie stets mehr in die Kritik. Die Idee von einer wichtigen Rolle der Tropen und der Südhemisphäre bei Eiszeit-Warmzeit-Wechseln gewinnt seit Ende der 90er Jahre zunehmend an Bedeutung. Statt eines Antriebs in hohen nördlichen Breiten allein muss nun von Veränderungen des globalen Strahlungshaushalts ausgegangen werden. Komplexe interne Wechselwirkungen durch ozeanische und atmosphärische Zirkulation - vor allem in dem Zusammenhang mit dem Golfstrom, die Wirkung der Treibhausgase und andere Prozesse führen zu einem komplizierteren Mechanismus zur Steuerung von Eiszeit-Warmzeit-Wechseln.

Siehe auch: Glazial, Klimageschichte, Globale Erwärmung, Kleine Eiszeit, Golfstrom