假若没有大气层，地球表面的平均温度不会是现在的约15℃，而是十分低的-18℃。 这温度上的差别是由于一类名为温室气体所引致。

地球表面的热量主要来自太阳，太阳辐射 (可见光) 抵达地球后，令地球受热。太阳表面的温度约6000度摄氏，但地球表面的温度只约15度摄氏，虽然两者温差很大，但如太阳一样，地球也会释放辐射。地球表面温度较低，发出的辐射波段较长(红外线)，肉眼看不见，但仍可以将热量散射回太空，令地球冷却。

如果地球受热和冷却的程度相约，地球的长期平均温度就会保持大致不变。

空气中的温室气体例如二氧化碳会阻碍地球将热量射回太空。温室气体会吸收部份地球释放的红外线，然后再释放红外线，将部份热量射回太空，但亦有部份热量射回地球，形成所谓温室效应。

因此，如果大气中的温室气体增加，地面吸收的辐射能量会比以前多，地球的气温就会上升。

根据在2007年2月2日发表的IPCC第四份评估「2007气候变化的物理基础:决策者摘要」，20世纪中期以来的全球平均气温上升，极有可能是基于人为的温室气体浓度上升。人类的活动可直接影响各种温室气体的「源」和「汇」而因此改变了其浓度。

大气层中主要的温室气体可有二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，一氧化二氮(N2O)，氯氟碳化物(CFCs)及臭氧(O3)。大气层中的水气(H2O)虽然是‘天然温室效应’的主要原因，但普遍认为它的成份并不直接受人类活动所影响。

受人类活动影响，全球大气CO2，CH4及N2O的浓度自1750年起急剧上升，现在的浓度已大幅超越工业革命前数千年经冰蕊推算的浓度水平。全球CO2的增加主要是由于使用石化燃料及改变土地用途，至于CH4及N2O的增加则与农业有关。

温室气体浓度的增加会减少红外线辐射放射到太空外，地球的气候因此需要转变来使吸取和释放辐射的份量达至新的平衡。这令全球性的地球表面及大气低层变暖。地球表面温度的少许上升可能会引发其他的变动，例如：大气层云量及环流的转变。当中某些转变可使地面变暖加剧(正反馈)，某些则可令变暖过程减慢(负反馈)。

全球平均表面气温在20世纪上升了0.6℃。过去12年中，有11年名列自1850年有全球表面气温仪器记录以来最暖的12年内。过去50年的暖化趋势(每10年0.13℃)是过去100年的两倍。

海平面受全球变暖的影响而上升，其物理成因主要有两种：第一种是海洋上层的海水受热而膨胀；第二种是冰川、冰冠以及格陵兰和南极洲上的冰块溶化后流入海洋，令海洋的水量增加。

根据政府间气候变化专业委员会(IPCC) 2007年发表的第四次评估报告，全球海平面在1961至2003年间每年上升了1.8亳米，上升速度在1993至2003年间加快，约每年3.1毫米，并预料到21世纪末全球平均海平面会上升0.18至0.59米。

跟据在2007年4月6日发表的IPCC第四份评估「2007气候变化的影响、适应性和脆弱性:决策者摘要」，全球平均气温变化带来的主要影响如下:

全球平均气温变化带来的主要影响。图中黑线连结影响，虚线显示影响随气温上升而持续。文字的最左边表示影响的大约初始温度。(来源:政府间气候变化专门委员会IPCC 2007)