El Sol activa el clima de la Tierra, irradiando energía en longitud de ondas cortas predominantemente en la parte visible o casi visible (por ejemplo ultravioleta) del espectro. Aproximadamente una tercera parte de la energía solar que alcanza la zona superior de la atmósfera terrestre se refleja directamente de nuevo al espacio. Las dos restantes terceras partes son absorbidas por la superficie y, en menor magnitud, por la atmósfera. Para equilibrar la energía entrante absorbida, la Tierra debe, como promedio, irradiar la misma cantidad de energía al espacio. Como la Tierra es mucho más fría que el sol, ésta irradia en longitudes de onda mucho más largas, sobre todo en la parte infrarroja del espectro (véase Figura 1.) La atmósfera, con la participación de las nubes, absorbe gran parte de esta radiación térmica emitida por los suelos y el océano y la vuelve a irradiar a la Tierra. Esto es lo que se denomina efecto invernadero. Las paredes de vidrio de los invernaderos reducen el flujo del aire e incrementan la temperatura del aire dentro. De forma análoga, pero mediante un proceso físico diferente, el efecto invernadero de la Tierra calienta la superficie del planeta. Sin el efecto invernadero natural, la temperatura promedio de la superficie terrestre estaría por debajo del punto de congelamiento del agua. Por tanto, el efecto invernadero natural hace posible la vida tal como la conocemos. Sin embargo, las actividades humanas, básicamente la quema de combustibles fósiles y la eliminación de bosques, han intensificado grandemente el efecto invernadero natural, dando lugar al calentamiento mundial.
Los dos gases más abundantes en la atmósfera, el nitrógeno (que abarca el 78% de la atmósfera seca) y el oxígeno (que abarca el 21%), apenas ejercen efecto invernadero. El efecto invernadero proviene de las moléculas más complejas y mucho menos comunes. El vapor de agua es el gas de efecto invernadero más importante y el dióxido de carbono (CO2) es el segundo en importancia. El metano, el óxido nitroso, ozono y varios otros gases presentes en la atmósfera en pequeñas cantidades contribuyen también al efecto invernadero. En las regiones ecuatoriales húmedas donde hay tanto vapor de agua en el aire y el efecto invernadero es tan grande, la adición de una pequeña cantidad de CO2 o de vapor de agua tiene solo un impacto directo pequeño en la radiación infrarroja descendente. Sin embargo, en las regiones frías y polares, el efecto de un pequeño incremento de CO2 o vapor de agua es mucho mayor. Lo mismo ocurre con la atmósfera superior fría y seca donde un pequeño incremento del vapor de agua tiene una mayor influencia en el efecto invernadero de lo que el mismo cambio en el vapor de agua tendría cerca de la superficie.
Varios componentes del sistema climático, a saber, los océanos y los elementos vivos, afectan las concentraciones atmosféricas de los gases de efecto invernadero. Un ejemplo importante de ello son las plantas que obtienen el CO2 de la atmósfera y lo convierten (junto con el agua) en carbohidratos mediante la fotosíntesis. En la era industrial, las actividades humanas han añadido gases de efecto invernaderos a la atmósfera, básicamente a través de la quema de combustibles fósiles y la eliminación de bosques.
La adición de más gases de efecto invernadero, digamos CO2, a la atmósfera, intensifica el efecto invernadero y, por tanto, calienta el clima de la Tierra. El grado de calentamiento depende de varios mecanismos de retroefecto. Por ejemplo, en la que medida en que se calienta la atmósfera debido a los niveles crecientes de gases de efecto invernadero, la concentración de vapor de agua se incrementa, intensificando aún más el efecto invernadero. Esto a su vez causa mayor calentamiento que trae consigo un incremento adicional del vapor de agua, en un ciclo de auto-reforzamiento. Este retroefecto de vapor de agua puede ser lo suficientemente fuerte como para casi duplicar el aumento del efecto invernadero, solo debido al CO2 que se ha añadido.
Otros mecanismos de retroefecto importantes incluyen la participación de las nubes. Las nubes son eficaces en la absorción de radiación infrarroja y por tanto, ejercen un gran efecto invernadero que calienta la Tierra. Las nubes son eficaces también reflejando hacia afuera la radiación solar entrante, enfriando así a la Tierra. Un cambio en cualquiera de los aspectos de las nubes, como el tipo, ubicación, contenido de agua, altitud, tamaño y forma de las partículas o duración, afecta el grado en que las nubes calientan o enfrían la Tierra. Algunos cambios intensifican el calentamiento mientras que otros lo disminuyen. Se realizan múltiples investigaciones para comprender mejor cómo cambian las nubes en respuesta al calentamiento del clima y cómo estos cambios afectan el clima mediante diversos mecanismos de retroefecto.