Os depósitos sedimentares na região do Parque Nacional Serra da Capivara (PNSC) registram importantes flutuações climáticas no Nordeste do Brasil. Este trabalho teve como objetivo identificar variações paleoambientais ocorridas entre o Pleistoceno tardio e Holoceno na região do PNSC através da análise estratigráfica, do carbono total do solo e da geocronologia de um depósito de fundo de vale no Vale da Serra Branca. Para tanto, foi aberta uma trincheira de 8,65 m de profundidade, 1,5 metro de largura e 3 metros de comprimento. Foram identificadas 16 camadas estratigráficas e coletadas 33 amostras para análise de carbono. Para o estabelecimento da geocronologia utilizou-se a Luminescência Opticamente Estimulada (LOE) em 3 amostras. A análise estratigráfica e teores de C indicam que o Vale da Serra Branca a cerca de 14 mil anos (± 0,5) AP experienciou condições climáticas semelhantes às atuais, com baixa preservação de C e sedimentos mais friáveis. Posteriormente, a 11,8 mil anos (± 0,3) AP eventos climáticos em escala global influenciaram no aumento da umidade e possivelmente na vegetação, levando a uma maior acumulação de C. A partir de 11,8 mil anos (± 0,3), a fase mais úmida foi sucedida por uma transição para condições climáticas mais secas, com baixa acumulação de C, e cerca de 1,7 mil anos (± 0,3) AP o clima semiárido já predominava. Essas descobertas contribuem para o entendimento dos processos climáticos na região, que somada com futuros estudos, podem ampliar a compreensão da relação entre as mudanças climáticas e eventos climáticos no Brasil.