随着时代的变迁，气候也在不断地变化。在古生代，内蒙古地区的气候温暖而湿润。这可由阴山古陆的隆升，呼和浩特南部地壳下沉，“华北古海”由东向西入侵，形成“鄂尔多斯古海”，鄂尔多斯珊瑚化石的大量发现得到证明。从已发现的茂蕨类化石可以看出，当时的植物根深叶茂，躯干魁伟，鳞木、芦木等可高达30米～40米，直径达1米左右，树木生长均匀，普遍缺少年轮。说明当时的气候炎热多雨，四季不明显。现今发现并在开采的东胜煤田、准格尔煤田就是那个时期茂密的森林所形成的。杭锦旗一带发现的白垩纪初期蜥脚龙的椎体化石，体长达20米左右，据推算，这类恐龙体重可达30吨～40吨，反映在中生代的气候具有高温、高湿的特点。

根据内蒙古地质局对内蒙古高原白垩纪地层分析，从岩性、生物环境的变化，大体上可以推测白垩纪初期阶段在内蒙分布着许多淡水湖盆，有机物质极为丰富，生物繁盛，气候是温暖湿润的；而后期气候则又逐渐向干热，甚至一度向炎热方向变化，因此沉积较为普遍的厚层紫红色及杂色砂砾岩。

第三纪始新世初期，根据内蒙古乌兰察布盟（今乌兰察布市）一带各钻孔资料分析，岩阵的变化除从红色砂砾岩逐渐变为一套颜色多呈暗色、深灰、青灰的岩层外，亦发现有大量植物和短足兽、犀牛、鳄鱼化石，可知第三纪初期干热气候逐渐转变为较湿热的环境，此时还原作用强烈，湖盆中多泥岩，植物又渐繁盛，推测当时是一个淡水湖泊的湿热森林草原景观。

第三纪中期渐新世，高原上的湖盆逐渐缩小，湖泊沉积物变粗，机械风化增强，甚至到了渐新世末期，由于湖水大量浓缩，氧化作用强烈，岩相中反映出高价铁富集，以致构成此时期的砖红色泥岩的沉积建造。说明此时气候又逐渐变干，但温度确又有大幅度上升的迹象，以致发育晚第三纪中新世的红层以及普遍夹有石膏透境的岩性特征，推测当时的气候是干旱的。

上新世期间，气候又有缓和趋势，大体上是由中新世的干热，渐变为湿热而后成为温和的气候特征。这主要反映在当时沉积岩由红色砂砾相转变为青灰色的粉砂岩，淡水灰岩以及泥灰层的出现，高价铁的物质逐渐由钙质的结核所代替，生物由三趾马、鹿类转变为斧足类动物群系的增加。而在高原南部，岱海盆地南的紫红色晚中新世湖相沉积岩中发现的孢子花粉化石，进行分析的结果也证明这一点，其中有针叶树的云杉、冷杉、阔叶树的桦、栋、椴以及禾本科、藜科等，说明当时广大地区属于一种类似温带森林草原气候。

第三纪末期，气候又转为干旱。在广大草原地区钙质的增加和沙漠的形成，说明这次变干程度远较现代为甚。从西辽河平原及红山老哈河谷底部第三纪地层表面均为厚约3米～5米的一层褐色风化壳，并与上覆第四纪沉积物呈不连续的接触关系这一情况看，第三纪末的气候曾一度变干，降水量剧减，遂使第三纪河湖沉积层露出地表，遭受较少时间的风化。

第四纪初期（即早更新世），气候又转为炎热多雨。这一点从当时内蒙古地区的河流、湖泊等水系发育十分完整得到证明。此时期形成的达里淖尔湖盆，据湖滨遗迹推断，其水量最大时的水位要高出现今湖面的50米～60米，面积也要大5倍以上。

晚更新世时，气候向干寒方向发展，近年来在二连浩特东北的哈拉图庙、萨达格庙一带，以及大青山北麓包括古图庙、巴彦哈少、哈泥河一带发现的冰川地貌及冰碛漂砾等充分证明，这一时期内蒙古地区气候普遍变得寒冷。

全新世开始气候趋于缓和，极区冰川消退，永冻带北移，草原带重新占领本区。全新后期气候再度变干，此时由于河湖水量大规模缩减，导致某些干谷和内陆的形成，暴露于地表的冲积、湖积砂层，在风力作用下形成砣甸地和黄土的堆积。