Ánh nắng Mặt Trời xuyên qua khí quyển và sưởi ấm mặt đất; sau đó mặt đất phát nhiệt trở lại không trung dưới dạng bức xạ hồng ngoại, một loại năng lượng vô hình mắt người không thấy được. Một số khí trong khí quyển, gọi chung là khí nhà kính, gần như trong suốt với ánh nắng chiếu xuống nhưng lại hấp thụ rất tốt bức xạ nhiệt phát lên từ mặt đất. Sau khi hấp thụ, các phân tử khí này phát nhiệt trở lại theo mọi hướng, kể cả xuống mặt đất, khiến một phần nhiệt lẽ ra thoát ra ngoài vũ trụ lại bị giữ quanh quẩn trong khí quyển. Hiệu ứng giữ nhiệt tự nhiên này vốn cần thiết cho sự sống, nhưng khi khí nhà kính tăng quá nhiều, nhiệt bị giữ lại quá mức khiến nhiệt độ toàn cầu tăng lên.

Cốt lõi hiện tượng là hiệu ứng nhà kính, được đặt tên theo cách hoạt động của một nhà kính trồng cây thật: tấm kính cho nắng lọt vào nhưng ngăn hơi nóng thoát ra ngoài. Trong khí quyển Trái Đất, khí carbon dioxide (CO2) sinh ra từ đốt than, dầu, khí đốt; khí mê-tan từ chăn nuôi và bãi rác; cùng hơi nước là những "tấm kính vô hình" đóng vai trò giữ nhiệt đó. Kể từ thời kỳ công nghiệp hoá, con người đốt nhiên liệu hoá thạch với quy mô ngày càng lớn, khiến nồng độ CO2 trong khí quyển tăng hơn 40% so với mức tự nhiên trước đó, và mức tăng này tương ứng khá chặt với mức tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu đo được trong hơn một thế kỷ qua.

Bạn có thể hình dung rõ nhất hiệu ứng này khi để một chiếc xe hơi đóng kín cửa dưới nắng: ánh nắng xuyên qua kính chắn gió dễ dàng, làm nóng ghế ngồi và bảng táp lô bên trong, nhưng nhiệt toả ra từ những vật đó lại khó thoát ngược ra ngoài qua lớp kính, khiến nhiệt độ trong xe tăng vọt cao hơn hẳn bên ngoài chỉ sau ít phút. Ở quy mô toàn cầu, các nhà khoa học đo được nồng độ CO2 trong khí quyển hiện đã vượt 420 phần triệu, mức cao chưa từng thấy trong hàng trăm nghìn năm qua theo dữ liệu lõi băng ở Nam Cực.

Nhiều người nghĩ hiệu ứng nhà kính bản thân nó là điều xấu và cần loại bỏ hoàn toàn, nhưng thực ra hiệu ứng nhà kính tự nhiên là thứ giữ cho Trái Đất đủ ấm để sự sống tồn tại, vì nếu không có nó nhiệt độ trung bình toàn cầu sẽ xuống dưới âm 18 độ C. Vấn đề thực sự nằm ở việc con người làm hiệu ứng đó trở nên quá mạnh do thải quá nhiều khí nhà kính, chứ không phải bản thân hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân xấu.