假若沒有大氣層，地球表面的平均溫度不會是現在的約15℃，而是十分低的-18℃。 這溫度上的差別是由於一類名為溫室氣體所引致。

地球表面的熱量主要來自太陽，太陽輻射 (可見光) 抵達地球後，令地球受熱。太陽表面的溫度約6000度攝氏，但地球表面的溫度只約15度攝氏，雖然兩者溫差很大，但如太陽一樣，地球也會釋放輻射。地球表面溫度較低，發出的輻射波段較長(紅外線)，肉眼看不見，但仍可以將熱量散射回太空，令地球冷卻。

如果地球受熱和冷卻的程度相約，地球的長期平均溫度就會保持大致不變。

空氣中的溫室氣體例如二氧化碳會阻礙地球將熱量射回太空。溫室氣體會吸收部份地球釋放的紅外線，然後再釋放紅外線，將部份熱量射回太空，但亦有部份熱量射回地球，形成所謂溫室效應。

因此，如果大氣中的溫室氣體增加，地面吸收的輻射能量會比以前多，地球的氣溫就會上升。

根據在2007年2月2日發表的IPCC第四份評估「2007氣候變化的物理基礎:決策者摘要」，20世紀中期以來的全球平均氣溫上升，極有可能是基於人為的溫室氣體濃度上升。人類的活動可直接影響各種溫室氣體的「源」和「匯」而因此改變了其濃度。

大氣層中主要的溫室氣體可有二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，一氧化二氮(N2O)，氯氟碳化物(CFCs)及臭氧(O3)。大氣層中的水氣(H2O)雖然是‘天然溫室效應’的主要原因，但普遍認為它的成份並不直接受人類活動所影響。

受人類活動影響，全球大氣CO2，CH4及N2O的濃度自1750年起急劇上升，現在的濃度已大幅超越工業革命前數千年經冰蕊推算的濃度水平。全球CO2的增加主要是由於使用石化燃料及改變土地用途，至於CH4及N2O的增加則與農業有關。

溫室氣體濃度的增加會減少紅外線輻射放射到太空外，地球的氣候因此需要轉變來使吸取和釋放輻射的份量達至新的平衡。這令全球性的地球表面及大氣低層變暖。地球表面溫度的少許上升可能會引發其他的變動，例如：大氣層雲量及環流的轉變。當中某些轉變可使地面變暖加劇(正反饋)，某些則可令變暖過程減慢(負反饋)。

全球平均表面氣溫在20世紀上升了0.6℃。過去12年中，有11年名列自1850年有全球表面氣溫儀器記錄以來最暖的12年內。過去50年的暖化趨勢(每10年0.13℃)是過去100年的兩倍。

海平面受全球變暖的影響而上升，其物理成因主要有兩種：第一種是海洋上層的海水受熱而膨脹；第二種是冰川、冰冠以及格陵蘭和南極洲上的冰塊溶化後流入海洋，令海洋的水量增加。

根據政府間氣候變化專業委員會(IPCC) 2007年發表的第四次評估報告，全球海平面在1961至2003年間每年上升了1.8亳米，上升速度在1993至2003年間加快，約每年3.1毫米，並預料到21世紀末全球平均海平面會上升0.18至0.59米。

跟據在2007年4月6日發表的IPCC第四份評估「2007氣候變化的影響、適應性和脆弱性:決策者摘要」，全球平均氣溫變化帶來的主要影響如下:

全球平均氣溫變化帶來的主要影響。圖中黑線連結影響，虛線顯示影響隨氣溫上升而持續。文字的最左邊表示影響的大約初始溫度。(來源:政府間氣候變化專門委員會IPCC 2007)