最常见的是对某一个地质时期的水体（海水或淡水）或大气平均温度的研究。例如现代珊瑚礁主要分布在热带、亚热带海域，地史中不同时代地层内的生物礁体也能反映类似的古温度条件。在古水体温度测定方面，一般根据水生古生物原生碳酸盐壳体（或内骨骼）中的氧同位素18O和16O丰度的质谱测定。水生古生物的碳酸盐外壳或骨骼是在与其生活海水中氧的同位素达到平衡的条件下形成的，因此化石壳体、骨骼的氧同位素比（18O/16O）测定，能够得出生物生活水体温度的定量数据。现代陆生植物在地球表面的分布受到气候分带的严格控制，无论在植物群属种组分、叶相类型、角质层厚度和气孔大小等方面都有明显反映。近年根据中国山东山旺地区中新世含硅藻土地层中的现生共存属（杜仲）化石比较研究，推断1500万年前当地的古气候春季温度范围在13～20℃，明显高出现今的12.9℃，为地史中古温度的定量测定提供了新的方法。