Zonder broeikasgassen en met gelijke andere factoren (zoals de weerkaatsing van zonlicht) zou het gemiddeld op aarde 33 graden kouder zijn. Waterdamp neemt bijna twee derde van het natuurlijke broeikaseffect voor zijn rekening en is daarmee het belangrijkste broeikasgas. Andere belangrijke broeikasgassen zijn kooldioxide, methaan en ozon.
Waterdamp werkt als een versterkingsmechanisme voor andere effecten die de atmosfeer koelen of opwarmen. Stijgt de temperatuur door de komst van extra kooldioxide en andere broeikasgassen in de atmosfeer, dan komt er in korte tijd extra waterdamp vrij. Door de extra broeikaswerking gaat de temperatuur vervolgens nóg wat meer omhoog. Hierdoor kan de atmosfeer meer warmte vasthouden.
Door bijvoorbeeld terugkaatsting van zonlicht door vulkaanstof, neemt de temperatuur van de atmosfeer af. In deze koelere atmosfeer zal waterdamp condenseren. Hierdoor vermindert de concentratie van waterdamp en dus het broeikaseffect van de waterdamp: de atmosfeer koelt wat verder af.
Ongeveer 70 procent van het aardoppervlak bestaat uit oceanen, zeeën en meren. Hieruit verdampt water en hogerop in de troposfeer (de onderste laag van de dampkring) condenseert een deel van deze waterdamp tot wolkendruppeltjes. Op den duur komt dit water weer als neerslag op aarde terecht. Gemiddeld over de aardbol is dit 1 meter neerslag per jaar.
De hoeveelheid water die lucht maximaal kan bevatten neemt ongeveer 7 procent toe als de temperatuur 1 graad stijgt. In de metingen zien we een nagenoeg constante relatieve vochtigheid van ongeveer 77 procent boven grote wateroppervlakten. Dit is het percentage waterdamp in de lucht ten opzichte van de maximale hoeveelheid.
De hoeveelheid waterdamp in het klimaatsysteem wordt dus vooral gestuurd door de temperatuur. Een hogere temperatuur geeft een hoger gemiddeld waterdampgehalte in de atmosfeer door de genoemde temperatuurafhankelijkheid van de waterdampspanning. Dit staat ook wel bekend als de wet van Clausius-Clapeyron.
