De zon verwarmt de aarde, de aarde straalt de warmte weer uit. Broeikasgassen houden de warmtestraling vast. Zonder dit natuurlijke broeikaseffect zou het gemiddeld over de wereld veel kouder zijn dan de huidige wereldgemiddelde temperatuur van ongeveer 15 graden.
De mens is op grote schaal bezig om de samenstelling van de atmosfeer te veranderen, onder andere door de verbranding van fossiele brandstoffen en via ontbossing. Hierdoor komt er veel extra kooldioxide (CO2) vrij in de atmosfeer. Andere belangrijke broeikasgassen waarvan de hoeveelheid in de atmosfeer toeneemt door toedoen van menselijk handelen zijn methaan (CH4), lachgas (N2O) en ozon (O3). De toename in de atmosfeer van deze gassen versterkt het broeikaseffect en dit leidt tot een warmer klimaat. Waterdamp (H2O) is een natuurlijk broeikasgas en werkt hierbij als een versterkingsmechanisme. Dit komt omdat iets warmere lucht iets meer waterdamp kan bevatten voordat condensatie optreedt. Door de opwarmende atmosfeer en de hieraan gerelateerde toename in waterdamp zullen er ook belangrijke eranderingen optreden in de hoeveelheden neerslag, wind en bewolking.
Sinds 1750 is de concentratie van kooldioxide in de atmosfeer met zo'n 40 procent toegenomen. Deze toename is veroorzaakt door het op grote schaal verbranden van fossiele brandstoffen zoals steenkool, aardolie en aardgas. De hoeveelheid methaan is meer dan verdubbeld (150 procent).
Er zijn ook meer stofdeeltjes (aerosolen) in de atmosfeer gekomen. De concentratie van ozon in de onderste 10 kilometer van de atmosfeer (de troposfeer) is verdubbeld. In de stratosfeer daarentegen, op hoogtes tussen 10 en 40 kilometer, is de hoeveelheid natuurlijk ozon juist afgenomen. Deze afname wordt veroorzaakt door CFK's.
Het klimaatbeleid is erop gericht de stijging van de wereldgemiddelde temperatuur te beperken tot hooguit 2 graden ten opzichte van het pre-industriële tijdperk. In de afgelopen ruim 100 jaar is de temperatuur op aarde 0,8 graden gestegen. Dat is minder dan verwacht op basis van de huidige concentratie aan kooldioxide. Dit komt omdat veel warmte in de oceanen verdwijnt. Daarnaast reageert de atmosfeer vertraagd op de toename aan kooldioxide.
