Leduslaikmetu cēloņu noskaidrošana bija cieši saistīta ar glaciālās teorijas attīstību un zinātnieku izpratnes veidošanos par klimata pārmaiņām Zemes ģeoloģiskajā vēsturē. Klimatu uz Zemes galvenokārt nosaka Saules un Zemes savstarpējā novietojuma svārstības, solārās radiācijas kvantitatīvās un kvalitatīvās izmaiņas, solārās radiācijas absorbcijas un atstarošanas mainība, kā arī siltuma cirkulācijas fluktuācijas uz Zemes. Par galvenajiem leduslaikmetu cēloņiem uzskata orbitālos faktorus – Zemes orbītas ekscentritāti, Zemes rotācijas ass slīpuma leņķi (sašķiebumu) un virziena maiņu (precesiju), bet leduslaikmetu attīstību ietekmē arī solārie un neorbitālie faktori (tektoniskie, hidroloģiskie, klimatiskie, bioloģiskie), piemēram, solārās radiācijas un kosmiskā starojuma intensitātes izmaiņas, sauszemes un okeānu izvietojums ziemeļu un dienvidu puslodēs, atmosfēras sastāva izmaiņas un duļķainība, vulkānisms un citi faktori. Mūsdienās klimatu ietekmē arī cilvēka saimnieciskā darbība. Solārie faktori ietver Saules aktivitātes cikliskas izmaiņas, kurām raksturīgi dažāda garuma cikli – 11 gadu ilgi Švābes (Schwabe), 22 gadu ilgi Heila (Hale), 87 gadu ilgi Glaizenberga (Gleissberg), 210 gadu ilgi Zīsa (Suess) vai 2300 gadu ilgi Halstata (Hallstatt) cikli. Mūsdienās ir pierādījumi solārās radiācijas fluktuāciju ietekmei uz klimatu, bet nav iegūti pārliecinoši pierādījumi, ka leduslaikmetu iestāšanos izraisa absolūtās solārās radiācijas fluktuācijas.

Zinātnieki, piemēram, franču matemātiķis Žozefs Ademārs (Joseph Alphonse Adhémar), franču fiziķis Simeons Denī Puasons (Siméon Denis Poisson) un skotu zinātnieks Džeims Krolls (James Croll) izstrādājuši atšķirīgas un reizēm arī visai neparastas leduslaikmetu cēloņu teorijas, piemēram, topogrāfiskās, atmosfēriskās un okeāniskās, ģeofizikālās, planetārās, kosmiskās teorijas. Zinātnisko teoriju attīstības gaitā dažādi faktori tika atzīti par noteicošajiem leduslaikmetu cēloņiem. Mūsdienās zināms, ka leduslaikmetus izraisa daudzu faktoru kopums. Lai gan pastāv cieša saistība starp orbitālajiem cikliem un leduslaikmetu-starpleduslaikmetu secību, šī saistība nav vienkārša, un leduslaikmetu iestāšanos un izbeigšanos regulē daudzu faktoru mijiedarbība. Tāpat arī īstermiņa klimatisko izmaiņu specifiskie cēloņi joprojām nav pilnībā pierādīti.

Kopš 19. gs. beigām, kad tika pierādīta vairāku leduslaikmetu un siltāku starpleduslaikmetu eksistence, kļuva skaidrs, ka pleistocēna epohā norisinājušās liela mēroga klimatiskās svārstības. Pirmo reizi par globālām klimata izmaiņām, ko varēja izraisīt Zemes rotācijas ass sašķiebums, norādīja angļu dabaszinātnieks Roberts Huks (Robert Hooke) jau 17. gs. beigās. 1824. gadā Jens Esmarks (Jens Esmark) publicēja rakstu, kurā pieņēma, ka apledojumu Skandināvijā un Dānijā izraisīja izteikti eliptiska Zemes orbīta. 1833. gadā Ignācijs Venets (Ignace Venetz) konstatēja, ka Alpu ledāji kādreiz bija izplatīti līdz pat 5 km tālāk, un pieņēma, ka Zemes vēsturē notikusi neregulāra temperatūras pazemināšanās, ko varēja izraisīt Zemes orbītas svārstības. Kārlis Frīdrihs Šimpers (Karl Friedrich Schimper) 19. gs. 30. gadu vidū uzskatīja, ka ģeoloģiskajā vēsturē bijuši siltāka un aukstāka klimata periodi. 1837. gadā S. D. Puasons izvirzīja hipotēzi, ka Zeme laika gaitā pārvietojas caur siltākiem un aukstākiem reģioniem kosmosā, kas izraisa nejaušas temperatūras izmaiņas arī uz Zemes. Tomēr J. Esmarka, S. D. Puasona un K. F. Šimpera hipotēzes nebija pierādāmas, tādēļ 19. gs. sākumā lielākā daļa zinātnieku bija pārliecināti tikai par to, ka Zemes klimats kādreiz bija siltāks. 19. gs. 30. gados teoriju par Zemes orbītas izmaiņu ietekmi uz klimatu Londonas Ģeoloģijas biedrībai (The Geological Society of London) prezentēja angļu astronoms Džons Heršels (John Frederick William Herschel). Viņa teoriju 19. gs. 40. gadu sākumā tālāk izstrādāja skots Džons Dovs (John Dove) un Dž. A. Ademārs.

Dž. A. Ademārs 1842. gadā pirmais izteica varbūtību, ka leduslaikmetus izraisa astronomiskie faktori, galvenokārt Zemes rotācijas ass precesijas (Zemes rotācijas ass virziena periodiska maiņa, kuras dēļ tā telpā apraksta konisku virsmu) cikli, kuri ietekmē saules radiācijas sezonālās izmaiņas. Dž. A. Ademārs uzskatīja, ka leduslaikmetam būtu jāiestājas katrus 11 000 gadus vienā no Zemes puslodēm, un izskaidroja gan agrākā apledojuma cēloņus Ziemeļu puslodē, gan arī mūsdienās Dienvidu puslodē – Antarktikā. Lai gan Dž. A. Ademāra teorijas astronomiskās detaļas bija ļoti rūpīgi izstrādātas, viņš kļūdaini uzskatīja, ka Antarktikas ledus vairoga gravitācija piesaista Ziemeļu puslodes ūdens masas. Ja šīs ūdens masas Dienvidu puslodē sasilst precesijas izmaiņu dēļ, okeāna ūdens izkausē Antarktikas ledus vairoga malas no apakšdaļas. Rezultātā ledus vairogs izveido gigantiskas sēnes formu un sabrūk okeānā, appludinot Ziemeļu puslodes kontinentus. Lielākā daļa Dž. A. Ademāra laikabiedru uzskatīja šo scenāriju par pārspīlētu, bet astronomiskie pieņēmumi viņiem šķita ticami. Būtisks iebildums pret Dž. A. Ademāra teoriju – kopējais saules radiācijas daudzums gadā precesijas ciklā ir nemainīgs. 1856. gadā amerikāņu ģeologs Džeims Dvaits Dans (James Dwight Dana) izstrādāja alternatīvu oroģenētisko hipotēzi, kurā pieņēma, ka apledojumu izraisīja Zemes garozas vispārēja un lokāla pacelšanās.

19. gs. 60. gadu vidū Dž. A. Ademāra idejas pārņēma un pilnveidoja Dž. Krolls, izveidojot Krolla orbitālo (astronomisko) teoriju, kas izskaidroja saistību starp apledojumiem un Zemes orbītas izmaiņu variācijām. Šai teorijai pretstatā iepriekšējām bija arī empīriski pierādījumi, un tā norādīja uz pakāpeniskām, nevis katastrofiskām sevišķi intensīvām klimata fluktuācijām. Dž. Krolls sarakstījās ar anģļu ģeologu Čārlzu Laielu (Charles Lyell) un angļu dabas zinātnieku Čārzlu Darvinu (Charles Darwin), kuri viņam palīdzēja šo teoriju attīstīt. Aprēķinot Zemes orbītas ekscentritāti trīs miljonu gadu laikā, Dž. Krolls konstatēja ekscentritātes cikliskumu un pamatoja sakarību starp orbītas ekscentritāti un solārās radiācijas daudzumu atšķirīgos gadalaikos. Solārās radiācijas daudzuma atšķirības ir izteiktākas, kad Zemes orbītai ir lielāka ekscentritāte. Zemes orbītas izmaiņas, kuras paildzina ziemas sezonu, izraisa lielāku sniega akumulāciju augstajos platuma grādos. Plašāka sniega segas izplatība veicina solārās enerģijas atstarošanos, pastiprinot orbitālo ietekmi. Šie Dž. Krolla atklājumi sniedza nozīmīgu ieguldījumu arī paleoklimatoloģijas attīstībā.  Dž. Krolls atšķirībā no citiem zinātniekiem leduslaikmetu izcelsmi saistīja ar vairākiem orbitāliem faktoriem – Zemes orbītas ekscentritātes, rotācijas ass sašķiebuma un precesijas izmaiņām. 19. gs. beigās un 20. gs. sākumā zinātnieki visā pasaulē debatēja par Krolla teoriju un tā tika atzīta par nepietiekamu, lai pilnībā izskaidrotu globālo pleistocēna apledojumu hronoloģiju.

Izmantojot Krolla teorijas principus un matemātisko pieeju, serbu inženieris un matemātiķis Milutins Milankovičs (Милутин Миланковић) 1941. gadā publicēja matemātisku klimata izmaiņu teoriju – Milankoviča teoriju. Šajā teorijā iekļauti visi trīs Dž. Krolla aprakstītie Zemes orbītas ciklisko variāciju faktori. Izmantojot šos orbitālos faktorus, M. Milankovičš attīstīja vispusīgu matemātisku modeli, ar kuru bija iespējams aprēķināt insolācijas un atbilstošās Zemes virsmas temperatūras izmaiņas dažādos ģeogrāfiskā platuma grādos pēdējos 600 000 gados. Viņš izrēķināja solārās radiācijas izmaiņas vasarās Ziemeļu puslodē. Pamatojoties uz izstrādāto modeli un hipotēzi, ka glaciālos ciklus ietekmē galvenokārt vasaras insolācijas izmaiņu ietekme uz sniega ablācijas ātrumu attiecīgajā kušanas sezonā, M. Milankovičs pieņēma, ka solārās radiācijas izmaiņas ir galvenais faktors, kas izraisa apledojumus. Insolācija vasarās ir lielāka, kad izteiktāks ir Zemes ass slīpuma leņķis vai arī kad vasaras iestāšanās Ziemeļu puslodē sakrīt ar Zemes atrašanos perihēlijā. Sākotnēji Milankoviča teorija tika ignorēta vairākus gadus, līdz 19. gs. 70. gados tika atrasti pierādījumi no dziļjūras nogulumu serdeņiem, kas apliecināja, ka M. Milankoviča prognozes un orbitālie cikli lielākoties sakrīt ar klimata pārmaiņu cikliem 450 000 gadu periodā. Milankoviča teorija nespēja pilnīgi izskaidrot šo cikliskumu un īstermiņa klimata izmaiņas, jo vēlajā pleistocēnā dominēja aptuveni 100 000 gadu glaciālie cikli. Tādējādi mūsdienās ir attīstītas vairākas teorijas un modeļi, kas mēģina precīzi izskaidrot glaciālu–interglaciālu periodus, ņemot vērā gan orbitālos, gan neorbitālos faktorus un dinamisku, nelineāru mijiedarbību starp klimata sistēmas komponentiem.  

Pret Dž. Krolla, M. Milankoviča un citu zinātnieku attīstītajām teorijām, kuras skaidroja siltuma sadali orbitālo faktoru ietekmē, mūsdienās ir vairāki būtiski iebildumi. Pirmkārt, šajās teorijās, izņemot saņemtās solārās radiācijas variācijas, nav ņemti vērā citi faktori, piemēram, pierādītā saistība starp apledojumiem un sauszemes un okeānu izvietojumu. Otrkārt, aprēķinātās temperatūras izmaiņas ir pārāk nelielas, lai izraisītu leduslaikmeta iestāšanos. Treškārt, Krolla teorija paredzēja, ka leduslaikmeta maksimums nevar iestāties vienlaicīgi abās puslodēs, bet mūsdienās notiekošie procesi liecina par vienlaicīgām ledāju izmaiņām abos polārajos apgabalos. Ceturtkārt, šīs teorijas leduslaikmetā paredz paaugstinātu atmosfēras temperatūru ekvatoriālajā apgabalā, kas neatbilst mūsdienu pētījumu rezultātiem. Citi iebildumi saistīti ar to, ka Milankoviča līkne ietver tikai pēdējos 600 000 gadus, un, ja tā tiktu pagarināta, nebūtu iespējams precīzi korelēt leduslaikmetus ar siltuma minimumiem. Milankoviča teorija un citas  hipotēzes, kuras apraksta konstanta solārās radiācijas daudzuma sadali uz Zemes virsmas, pilnībā neizskaidro leduslaikmetu un starpleduslaikmetu miju un visas konstatētās klimatiskās izmaiņas Zemes vēsturē.

20. gs. vidū Ričards Fosters-Flints (Richard Foster Flint) izstrādāja solāri topogrāfisko teoriju, kas ietver agrāko astronomisko un topogrāfisko teoriju sintēzi. Šī teorija apvieno galvenokārt divus faktorus, kas nepieciešami apledojumu attīstībai – solārās radiācijas fluktuācijas un kalnāju eksistenci, bet noliedz orbitālo faktoru noteicošo nozīmi. Tā kā 20. gs. beigās tika iegūti dati no Grenlandes un Antarktīdas ledus serdeņiem, kā arī dziļjūras nogulumu serdeņiem, tie ir pretrunā ar R. F. Flinta teoriju, jo norāda uz ciešo saikni starp leduslaikmetu un starpleduslaikmetu miju un orbitālajiem cikliem.

Leduslaikmeti un klimata pārmaiņas tiek saistītas arī ar oglekļa dioksīda un citu siltumnīcas efektu izraisošo gāzu daudzumu atmosfērā. 19. gs. vairāki zinātnieki pat atzina oglekļa dioksīdu par nozīmīgu leduslaikmetu cēloni. Francūzis Žaks Žozefs Ebelmens (Jacques-Joseph Ebelmen), iespējams, bija pirmais zinātnieks, kurš 19. gs. vidū izteica hipotēzi, ka Zemes atmosfēru ietekmē dzīvie organismi, un novēroja, ka, sadedzinot fosilo kurināmo, atmosfērā tiek atgriezts ogleklis. Viņš pieņēma, ka augstāks ogļskābās gāzes līmenis atmosfērā saistīts ar augstāku temperatūru. 19. gs. 60. gados īru fiziķis Džons Tindāls (John Tyndall) konstatēja, ka ogļskābā gāze veicina atmosfēras sasilšanu, tomēr lielāku nozīmi piešķīra ūdens tvaikam. Dž. Tindāls pieņēma – ja Zemes atmosfērā ievērojami samazinātos ūdens tvaika daudzums, iestātos leduslaikmets. Zviedru ģeologs Arvīds Hegboms (Arvid Gustaf Högbom) pretēji citiem zinātniekiem uzskatīja, ka ogļskābās gāzes daudzumu atmosfērā palielinājuši vulkānu izvirdumi un rezultējošais temperatūras kāpums izraisījis leduslaikmetu beigšanos. Turpmākus pētījumus par oglekļa dioksīda līmeņa un leduslaikmetu norises saistību veica A. Hogboma skolnieks Svante Arrēniuss (Svante August Arrhenius), kurš ieviesa metaforu "siltumnīca", ko mūsdienās plaši izmanto, lai apzīmētu terminu "siltumnīcas efekts".

Mūsdienu pētījumu rezultāti, īpaši Grenlandes un Antarktīdas ledus serdeņos ieslēgtā gaisa sastāva analīzes, norāda uz nozīmīgām un cikliskām ogļskābās gāzes daudzuma svārstībām atmosfērā, maksimālās vērtības (vairāk nekā 300 ppmv) sasniedzot starpleduslaikmetos, bet vismazākās – ledus laikmetos. Oglekļa dioksīda daudzuma pieaugumu atmosfērā mūsdienās ietekmē antropogēnie procesi, bet tā iespējamā ietekme uz klimatu jāvērtē piesardzīgi. Oglekļa dioksīda vērtību izmaiņas ģeoloģiskajā vēsturē un tā daudzuma palielināšanās atmosfērā, īpaši starpleduslaikmetos, notikusi dabisku procesu, galvenokārt okeānu sasilšanas, kā arī organisko atlieku sadalīšanās, augu un dzīvnieku elpošanas, karbonātisko iežu dēdēšanas un vulkānisko procesu rezultātā, un vērtējama kā dabisku procesu sekas, nevis cēlonis. Tādējādi oglekļa dioksīda līdzīgi kā slāpekļa oksīda, metāna, ūdens tvaiku un citu gāzu vērtību izmaiņas nav uzskatāmas par leduslaikmetu vai klimata pārmaiņu cēloni.