罗马帝国暴发的三次瘟疫恰逢异常寒冷和干旱的时期，这表明气候的自然变化可能加速了罗马的衰落。通过分析亚得里亚海沉积物岩芯中的浮游生物残骸，美国俄克拉荷马大学的凯尔·哈珀及其同事重建了公元前200年至公元600年意大利南部的气候。

在公元前200年开始的气候相对温暖湿润的三个世纪中，罗马繁荣发展，达到了最兴盛的状态。但这项研究发现，在公元130年左右，降温幅度高达3摄氏度、旱灾频仍的时代取代了“罗马气候最宜期”。

尤其是公元165-180年与安东尼瘟疫相对应的严寒时期。那次瘟疫动摇了帝国，并可能导致了卢基乌斯·维鲁斯皇帝的死亡。

另一次气温骤降出现在公元251-266年的塞浦路斯瘟疫期间。当时，帝国正在分裂成三个国家。接着，在西罗马帝国于公元476年垮台后，2000年来最寒冷的时期之一预示着一系列瘟疫的到来。最开始是6世纪40年代的查士丁尼瘟疫，它可能加速了东罗马帝国失去位于意大利、巴尔干半岛和中东的大部分地区。

哈珀说：“罗马帝国在某些情况下发生了一系列非常极端的危机。我认为，现在的情况已经非常清楚，气候变化和瘟疫在其中许多时期发挥了作用。”

虽然阿尔卑斯山北部的树木年轮显现了这些寒冷时期的迹象，但本次研究中的沉积物岩芯是在沿着整个意大利东海岸流淌的洋流末端获取的，也是罗马中心地带出现过寒冷时期的第一个明确证据。

该研究共同作者、德国不来梅大学的卡琳·聪内费尔德说，这时期形成的沉积物层里的温水浮游生物减少了。研究团队还发现，依赖河流所积聚营养物质的物种的数量减少，这表明了干旱程度。

比较寒冷干燥的环境可能破坏了作物收成，削弱了罗马公民的免疫系统，并且通过移民和冲突助长了疾病的传播。查士丁尼瘟疫和14世纪的黑死病是由跳蚤携带的同一种细菌引起的。在瘟疫之前，三次大规模火山喷发遮天蔽日，开启了“晚古小冰期”。当时的历史文献记载了农作物歉收的情况。

拜占庭学者普罗科匹厄斯于536年写道：“太阳发出的光没有亮度，就像月亮。人类没有摆脱战争，没有摆脱瘟疫，也没有摆脱导致死亡的其他任何东西。”

不过，美国乔治敦大学的蒂莫西·纽菲尔德说：“在我看来，很难明确地说是这三次瘟疫导致了罗马覆灭。这不可能是一两个变量造成的。”