第四纪全球气候曾有数次冷暖变化。气候寒冷时，陆地上的一部分水冻结，发育大规模冰川，叫冰期；气候变暖，冰川消退，叫间冰期。北半球在第四纪时期一般划分为四个冰期和三个间冰期，还有一个冰后期。有些地区受区域性气候的差异影响，可划分为更多的小冰期和间冰期，但各个地区长时期的寒冷期与温暖期的变化大致是相同的。

第四纪冰期中冰川规模最大时，世界陆地面积的1/3被冰川覆盖，由于大量冰体聚积于陆地，使海面下降约150 m，当时的海陆轮廓和自然环境都发生较大的变化。在欧洲大陆冰流曾达到北纬50°，在北美曾向南推进到北纬38°，全球平均气温比现在低5~7℃。由于地球上出现大面积的冰盖，改变了全球大气环流的形势，北半球气候带南移，中纬地区沙漠面积缩小，低纬及赤道地区沙漠扩大，大陆季风盛行，海洋季风衰退。

最后一次冰期开始前，距今约8.5万年，海面比现在高16 m左右，渤海一带的海岸线比现在的岸线向陆伸入80~100 km。大约3.6万年前的末次冰期的最冷阶段，海面下降，海岸线移到现在黄海水深70 m处。此后，有一个温暖期，海岸线又向陆推移，在2.5万年前，长江下游的海岸位置在今河口以西160 km左右处。大约23700±900年前的又一次小冰阶，海水退出现在的渤海、黄海地区，海岸线东移到东海大陆架水深110 m处，到了冰期最盛时期，即距今14780±700年左右，中国海岸在东海大陆架边缘水深155 m处，其位置在今长江口以东600 km。如考虑到大陆架冰后期的地壳下降量为14 m，则最后一次冰期最盛期的海平面也要比现在低140 m。由于冰期时海面降低，大陆面积不断扩大，增强了中国气候的大陆性程度，这可能是当时气候干燥的原因之一。那时的降水量可能比现在少一百至数百毫米，华北和东北平原有暗针叶林和草原分布。当时的风成黄土分布范围到达长江下游，如南京的下蜀黄土。中国西北部地区出现大面积的风成沙丘，柴达木盆地在最后一次冰期的晚期尤其显得干旱，蒸发强盛，在2.1万年和1.3万年前，是柴达木盐湖的形成期。

冰期时，大陆冰盖的厚度平均为2000~3000 m，巨厚冰盖对地壳形成巨大压力，引起地壳沉陷；冰川消失后，地壳迅速回升。第四纪的冰期间冰期冰川负荷与卸荷使地壳升降变化称为冰川均衡作用。这种作用对地貌发育的影响极大，例如，冰后期冰川消融，地壳普遍上升，瑞典北部现代上升速度达9 mm/a；芬兰在冰后期地壳均衡上升，每年新生的陆地有7 km ² ；格陵兰冰后期地壳上升速度为0.9~1.0 mm/a，使几十年前的风暴海滩与现在正在形成的风暴海滩已有相当长的一段距离。哈得逊湾由于冰川卸荷造成现代地壳不断上升，如上升达到均衡时，哈得逊湾将不复存在。