Az ókori görög filozófusok és természettudósok egy része tisztában volt azzal, hogy Földünk éghajlata folyamatos változáson meg keresztül. Platón a Timaiosban és a Kritiasban, Aristotelés a Meteorologikában utalt erre a jelenségre Egyiptom és Mykéné esetében. Columella a legtekintélyesebb római mezőgazdasági szakírók közé számító Sasernákat (apát és fiát) idézi a klímaváltozással kapcsolatban:

Számos jelentős szerzó meg van győződve arról, hogy a korok múlásával változik az éghajlat és az időjárás. Így a legnagyobb tudású csillagász, Hipparchus szerint el fog jönni az idő, amikor a világ pólusai elmozdulnak a helyükről, s úgy tűnik, ezt a véleményt a tekintélyes mezőgazdasági szakíró, Saserna is elfogadta. A mezőgazdaságról írott és hátrahagyott művében az éghajlati viszonyok megváltozására következtet, mert olyan vidékeken, ahol korábban a hosszú, szigorú tél alatt az elültetett szőlő és olajcsemete nem volt képes életben maradni, ott, miután a korábbi hideg mérséklődött és enyhült, most igen gazdag a szőlő- és olajtermés.
Columella I. 4-5 (Hoffmann Zsuzsana fordítása)

Hipparchos a precesszió jelenségével magyarázta a klíma koronkénti megváltozását. (A csillagászat a precesszió kifejezésen a földtengelynek a Nap és a Hold forgatónyomatékának hatására bekövetkező elmozdulását érti.)

Modern természettudományos vizsgálatok alapján egyértelműen megállapítható, hogy a késő köztársaság és a korai császárság idején (kb. a Kr. e. 1. század eleje és a Kr. u. 2. század vége között) szokatlanul magas átlaghőmérséklet uralkodott Európában. Az úgynevezett „római klímaoptimum” (RCO) vagy „római melegperiódus” (Roman Warm Period = RWP) létezését több megfigyelés is alátámasztja.
A szőlőművelés egyértelműen a római hódítás idején terjedt el Britanniában, mégpedig egészen a Hadrianus-falig. Nagy-Britanniában ugyan ma is találhatók szőlőültetvények, de a történelmi feljegyzések azt mutatják, hogy a szőlő termesztése később csak délen és csak a melegebb periódusokban volt lehetséges.
A másik megfigyelés az olajfával kapcsolatos, amelyről tudvalévő, hogy csak szubtrópusi éghajlaton (évi 15-20°C átlaghőmérsékleten) és maximum 700-800 méter tengerszint feletti magasságig terem meg. Éppen emiatt az olajfa termesztése az egykori Sagalassos (Lycia) területén ma már nem lehetséges, mivel a város 1450-1700 méter tengerszint feletti magasságon fekszik a Taurus-hegységben. Csakhogy a település környékén a régészek számos olajprést találtak, amiből arra következtethetünk, hogy a mainál jóval melegebb évi átlaghőmérséklet miatt mégiscsak léteztek itt olajfa-ligetek a város virágzásának idején, vagyis a római császárkorban.

A szakirodalomban manapság elterjedt „római melegperiódus” elnevezés először William Paul Pattersonnak a Michigani Egyetemen 1995-ben megvédett doktori disszertációjában fordult elő,1 amit egy négy évvel később, a Nature magazinban megjelent cikk népszerűsített. Ez utóbbiban a Bianchi-McCave szerzőpáros a tengerfenék üledékes lerakódásaiból arra következtetett, hogy a római melegperiódus valamikor Kr. u. 100 körül kulminálhatott.
Már Patterson kutatásait megelőzően egy svájci tudós is arra a megállapításra jutott az Alpok gleccsereinek vizsgálatából, hogy a Kr. u. 100-400 közötti időszak jelentősen melegebb lehetett, mint az azt megelőző, vagy az azután következő korszakok. A RWP csúcsán a Rajna völgyében is lehetővé vált az olajfa termesztése, a citrusfélék és a szőlő pedig a Hadrianus-fal mentén is megtermett Britanniában, ami a mediterrán klíma jelentős északi kiterjedésére enged következtetni. A római klímaoptimum idején akár 2-6°C fokkal magasabb lehetett az átlaghőmérséklet a mainál.

Talán a legfontosabb becsült paraméter, amely közvetlenül szükséges az éghajlatmodellek felállításához, a tengerek vizének felszíni hőmérséklete (Sea Surface Temperature = SST). Liang Chen és munkatársai a páncélos ostorosokból (dinoflagelláták) álló cisztáknak a Tarantói-öbölben található lerakódásaiból arra következtettek, hogy a tengervíz felszíni hőmérséklete Kr. e. 60 és Kr. u. 200 között relatíve magas és stabil volt, magasabb, mint korunkban, ami pedig nyilvánvalóan összefüggést mutat a levegő hőmérsékletének emelkedésével. Ezenkívül az éghajlat-meghatározáshoz szükséges proxiadatok kinyerése a faévgyűrűk, a jégmagok, a cseppkövek és a varvok (a tavak fenekére, gleccserek peremére lerakódott kettős üledékcsíkok) kutatásából történik.

A klímamodellek felállításakor érdemes megkülönböztetnünk a nyugati és a keleti birodalomrészt, mivel a kettő között lényegi eltérések lehettek ugyanabban az időben. A régészet, továbbá a jégmagok és az évgyűrűk vizsgálata arra enged következtetni, hogy Kr. e. 100 és Kr. u. 200 között Nyugaton viszonylag magas és stabil volt az évi átlaghőmérséklet. Az osztrák Pannagel-barlang cseppkövei azt mutatják, hogy a stabilitás akár Kr. u. 250-ig is eltarthatott. A kialudt Eifel-vulkán krátertavaiból (maar) vett pollenminták is stabil klímára engednek következtetni. Az Alpok gleccserei is visszahúzódtak.
A hidegre érzékeny tarka bodobács (Heterogaster urticae) élőhelye sokkal északabbra húzódott a római Britanniában, mint akár napjainkban. Úgy tűnik, a Róma gabonás kosarának számító Egyiptomban is optimális volt az éghajlat ebben az időszakban.

Kr. e. 30 és Kr. u. 299 között összesen 199 év Nílus-vízállásának adatai állnak rendelkezésünkre, amelyek alapján ezen perióduson belül is a Kr. e. 30 és Kr. u. 155 közé eső időszak volt a legkedvezőbb. Ugyanakkor a Kr. u. 200 és 400 között két évszázad proxiadatai fokozódó bizonytalanságról számolnak be, főként az északnyugati tartományokban.
A Kr. u. 235 és 285 között feljegyzett öt nagyobb vulkánkitörés is hozzájárulhatott ahhoz, hogy lehűlés és aszály sújtsa a nyugati területeket. [3.3.2.] A 4. század második felében ugyanakkor megint lassú felmelegedés vette kezdetét. Közép-európai évgyűrű-adatok azt mutatják, hogy 350 és 450 között a nyarak sokkal csapadékosabbak voltak, mint a korai római korban.

Ami a keleti tartományokat illeti: a Talmud Kr. u. 210 és 220 között jegyez fel szárazságot, de valószínűleg Kr. u. 220-240 és 250-270 között is aszályos időszak lehetett. Ugyanakkor a Kr. u. 4-5. században csapadékosabb időszak jellemezte a Közel-Keletet, amit a Holt-tenger megnövekedett vízszintje is mutat. A Fekete-tenger déli partján fekvő Sofular-barlang cseppköveinek adatai (Sofular Cave Records) szárazabb és hidegebb időszakot jeleznek Kr. u. 300 és 450 között, amit egy nedvesebb és melegebb periódus követett a Kr. u. 450-625 közötti időszakban.