假若没有大气层，地球表面的平均温度不会是现在的约14.5℃，而是十分低的-18℃左右。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14.5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。

大气层无温室气体的情况

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。

温室效应的示意图

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。

在过去10,000年(大图)及自1750年(小图)的二氧化碳、甲烷及一氧化二氮大气浓度。图中显示由冰蕊量度(不同颜色表示不同的研究)及大气样本量度(红线)的结果。大图的右轴显示对应的辐射强迫力。(来源：政府间气候变化专门委员会IPCC 2007)