同位素古温度测定（isotopic paleothermometry）是主要利用海生动物碳酸盐骨骼和壳体的氧同位素组成确定古海洋温度的方法。古海洋中进行着海水与碳酸盐间的氧同位素交换反应：H2 18O+HC 16O3≠H2 16O+HC18O3，当交换反应达到平衡时，其平衡常数与温度有确定的关系。因此，可利用碳酸盐的18O含量确定当时的温度，温度愈低，碳酸盐中18O含量愈高。使用同位素测定古温度必须满足下列条件：①碳酸盐与水之间达到同位素交换平衡；②从沉积时起，碳酸盐的氧同位素组成必须保持不变；③碳酸盐的固体扩散、白云岩化、溶解和再沉积以及变质作用都会改变氧同位素组成，影响测定的精度，因此不能选取有这些现象的样品。对古温度测定最适合的是腕足类、头足类和多数有孔虫，珊瑚和棘皮动物不适合，呼吸空气中氧气的动物的碳酸盐骨骼也不适合，因为空气氧的同位素组成不同于水。这种方法适合测定从侏罗纪到现代的海水盆地的温度。由于淡水的18O组成变化很大，一般不能用淡水中沉积的碳酸盐来测古温度。