假若沒有大氣層，地球表面的平均溫度不會是現在的約14.5℃，而是十分低的-18℃左右。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14.5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。

大氣層無溫室氣體的情況

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。

溫室效應的示意圖

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。

在過去10,000年(大圖)及自1750年(小圖)的二氧化碳、甲烷及一氧化二氮大氣濃度。圖中顯示由冰蕊量度(不同顏色表示不同的研究)及大氣樣本量度(紅線)的結果。大圖的右軸顯示對應的輻射強迫力。(來源：政府間氣候變化專門委員會IPCC 2007)