O Sol serve como a principal fonte de energia para o clima da Terra. Parte da luz solar recebida é refletida diretamente de volta ao espaço, especialmente por superfícies brilhantes, como gelo e nuvens, e o restante é absorvido pela superfície e pela atmosfera.

Grande parte dessa energia solar absorvida é reemitida como calor (ondas longas ou radiação infravermelha). A atmosfera, por sua vez, absorve e irradia calor, alguns dos quais escapam para o espaço. Qualquer perturbação neste equilíbrio de energia de entrada e saída afetará o clima.

Se toda a energia térmica emitida da superfície passasse pela atmosfera diretamente para o espaço, a temperatura média da superfície da Terra seria dezenas de graus mais fria.

Os gases de efeito estufa na atmosfera, incluindo vapor de água, dióxido de carbono, metano e óxido nitroso, agem para tornar a superfície mais quente, porque absorvem e emitem energia térmica em todas as direções, inclusive para baixo, mantendo a superfície da Terra e a baixa atmosfera aquecidas. Portanto, esses gases agem como um vidro de uma estufa, retendo o calor do sol e impedindo que ele vaze de volta ao espaço causando o aquecimento global.

Sem esse efeito estufa, a vida como a conhecemos não poderia ter evoluído em nosso planeta. A adição de mais gases de efeito estufa à atmosfera torna ainda mais eficaz em evitar que o calor escape para o espaço. Quando a energia que sai é menor do que a energia que entra, a Terra se aquece até que um novo equilíbrio seja estabelecido.

Portanto, alguns desses gases que provocam o efeito estufa ocorrem naturalmente, no entanto, a atividade humana está aumentando dramaticamente as concentrações de alguns desses gases na atmosfera, em particular: dióxido de carbono, metano, óxido nitroso e gases fluorados, sendo que o CO2, produzido pelas atividades humanas, é o que mais contribui para o aquecimento global. 

As concentrações atmosféricas de dióxido de carbono, metano e óxido nitroso aumentaram significativamente desde o início da Revolução Industrial. Em 2020, sua concentração na atmosfera subiu para 48% acima do nível pré-industrial, antes de 1750.