Większość naukowców skłania się ku hipotezie, że globalne ocieplenie jest głównie skutkiem zintensyfikowania naturalnego efektu cieplarnianego poprzez działalność człowieka, a ściślej: poprzez zwiększenie zawartości gazów cieplarnianych w atmosferze, na skutek spalania paliw kopalnych, które służy pozyskaniu energii. Większa zawartość gazów cieplarnianych w atmosferze oznacza, że pochłoną one więcej promieniowania podczerwonego Ziemi, a następnie więcej wypromieniują, także w kierunku Ziemi, w postaci promieniowania zwrotnego atmosfery. Każdy element środowiska Ziemi, od skali lokalnej po globalną, dąży do zachowania równowagi. Obecnie równowaga wymiany promieniowania między atmosferą i powierzchnią Ziemi jest możliwa przy średniej temperaturze Ziemi około 15ºC, ale wzrost promieniowania zwrotnego atmosfery spowoduje wzrost temperatury Ziemi, co będzie skutkiem dążenia środowiska Ziemi do osiągnięcia nowego stanu równowagi.
Warto wspomnieć, że za zmiany temperatury Ziemi w skali geologicznej odpowiada wiele różnych czynników, ich oddziaływanie nakłada się na siebie. Są to przede wszystkim czynniki astronomiczne (opisane teorią Milankovica), okresowe zmiany dopływu promieniowania słonecznego do Ziemi (tzw. plamy słoneczne), a także wielkie wybuchy wulkanów, zmieniające okresowo skład atmosfery, czy zmiany cyrkulacji atmosferycznej i oceanicznej oraz inne czynniki. Wciąż trwają dyskusje o roli poszczególnych czynników, zwłaszcza w kształtowaniu obecnych warunków klimatycznych, w tym globalnego ocieplenia. Poniżej przedstawione są jedynie kwestie związane z gazami cieplarnianymi, natomiast warto sięgnąć do licznych opracowań poświęconych innym przyczynom zmian klimatu.
Zawartość gazów cieplarnianych w atmosferze zaczęła gwałtownie wzrastać z początkiem rewolucji przemysłowej, której symbolem było wprowadzenie do masowego użytku maszyny parowej. Potem pojawiły się samochody, samoloty, elektrownie i wiele innych wynalazków, których działanie związane jest z koniecznością wykorzystania energii, pozyskiwanej przez długi czas głównie z paliw kopalnych. Paliwa te, głównie węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa i gaz ziemny, zawierają związki organiczne i w czasie ich spalania dochodzi do emisji do atmosfery niektórych gazów cieplarnianych, np. dwutlenku węgla, podtlenku azotu, jak też wielu innych związków, oddziałujących na środowisko w różny sposób (np. dwutlenku siarki, przyczyniającego się do powstawania kwaśnych deszczy). Tabela 2 pokazuje zmianę zawartości głównych gazów cieplarnianych w okresie 1750-2011, natomiast ryciny 14 i 15 - zmianę zawartości wybranych gazów cieplarnianych w atmosferze po roku 1960. W przypadku freonów (ryc. 15) warto zwrócić uwagę, że gazy te mają podwójnie niekorzystne oddziaływanie na atmosferę: w troposferze są silnymi gazami cieplarnianymi, a w stratosferze powodują niszczenie warstwy ozonowej. Liczne działania międzynarodowe doprowadziły do znaczącego spadku zawartości niektórych z tych gazów w atmosferze po 1980 r.
| Gaz cieplarniany | Zawartość w atmosferze | |
| 1750 r. | 2011 r. | |
| CO2 (ppm) | 278 | 390,5 |
| CH4 (ppb) | 722 | 1803,2 |
| N2O (ppb) | 271 | 324,2 |
Tab. 2. Zawartość wybranych gazów cieplarnianych w atmosferze przed rewolucją przemysłową (1750 r.) i obecnie (2011 r.)
Ryc. 14. Zmiany zawartości CO2, O2, stosunku izotopów 13C/12C w CO2, CH4 i N2O na różnych stacjach reprezentatywnych dla półkuli północnej lub południowej
Objaśnienia: linia ciągła – półkula pn.,
linia przerywana – półkula pd.,
MLO – stacja Mauna Loa,
SPO – biegun pd.,
ALT – stacja Alert,
CGO – stacja Cape Grim,
MHD – stacja Mace Head
Spalanie paliw kopalnych to nie jedyne antropogeniczne źródło gazów cieplarnianych, przykładowo:
- zastosowanie azotowych nawozów sztucznych spowodowało znaczny przyrost azotu w glebie i wzrost wytwarzania biochemicznego związków azotu, w tym podtlenku azotu (N2O).
- metan (CH4) powstaje w wyniku procesów życiowych bakterii w warunkach beztlenowych, np. na polach ryżowych i wysypiskach śmieci,
- freony (CFC) to związki całkowicie sztuczne, uzyskane w laboratorium i nie występujące w sposób naturalny w przyrodzie, przez długi czas wykorzystywane były m.in. w lodówkach i dezodorantach
Należy podkreślić, że globalne ocieplenie jest zagadnieniem złożonym. Wzrost średniej globalnej temperatury Ziemi uruchamia wiele procesów przyrodniczych, np. topnienie lądolodów czy wzrost temperatury wody w oceanach, co generuje kolejne procesy, np. zmianę albedo podłoża czy zmiany poziomu oceanów, a te z kolei na różne sposoby dalej wpływają na zmiany temperatury Ziemi.