輻射
多數太陽輻射是短波輻射，集中在可見光波段。太陽輻射幾乎完全可以穿透大氣，但是一些太陽輻射卻從雲頂和像雪、沙漠這樣的淺色地表反射回太空。
然而，多數太陽輻射被吸收，因而溫暖了陸地和海洋。
當天體（像地球）比周圍（像太空）氣溫高時，溫暖的天體會以與溫度成反比例的波長放射熱量。換句話說，天體越暖，它放射的輻射波長就越短，這就是（熱）太陽以短波輻射最猛烈、（冷）地球以長波輻射最猛烈的原因。地球表麵向上放射一些熱量，接觸地表的空氣變暖，通過對流上升。當上升空氣變冷時，也會把熱量放射到太空。來自地球和大氣的熱量輻射是在長（紅外輻射）波長上。
在白天太陽溫暖了地麵，地麵又放射其熱量，地球放射熱量的速度比吸收熱量的速度慢，所以在白天地麵變暖，在正午達到最高點。在晚上，太陽不再照射地麵，所以地麵吸收不到熱量，然而地麵卻在繼續放射熱量，所以在晚上地麵漸漸地變冷，在黎明前達到最低點，太陽再次升起，地表再次變暖。
溫室效應
在溫室裏，太陽輻射透過玻璃進入溫室，輻射使溫室變暖，玻璃又阻止暖空氣逃出溫室，因此溫室裏氣溫逐漸變暖。這就是溫室效應這一名稱的由來。
溫室效應這一名稱不十分貼切，因為盡管結束相似，但是產生的原因不同。溫室捕捉不住輻射，但是一定的大氣氣體卻能。
大氣主要由氮（大約78%）和氧（大約21%）組成，各種波長的輻射可以穿透這些氣體，但是空氣也包含輻射穿不透的其他少量氣體，這些氣體的分子比氮分子和氧分子大，它們依靠各自的大小吸收特定紅外波長輻射。水蒸氣在這些氣體中最重要，其他的包括二氧化碳、沼氣、含氯氟烴（由於對臭氧層的影響，現在正在停止生產和使用這種混合氣體）、臭氧、氧化亞氮和四氧化碳（一種正式用於幹洗的溶劑，現在正在停止使用），這些都是溫室氣體。
每種氣體在總體紅外輻射吸收所占的份額可用全球變暖潛能來計算（厘米P），二氧化碳的全球變暖潛能值為1，沼氣為11，氧化亞氮為270，含氯氟烴和相關的混合氣體為1200—7100不等。
這些氣體的分子以一定的波長吸收長波輻射，變暖後，它們開始向各個方向放射熱量。一些輻射向上進入太空，但是多數不能。向側麵放射輻射，被其他溫室氣體分子吸收，又一次向各個方向或向下放射。總體會產生大氣低部變暖的效果。這些氣體更像一個毯子一樣，蓋著毯子睡覺要比不蓋毯子暖和，但是不會使你的體溫無限製地升高，以至於身體會被煮熟。同樣，有溫室氣體比沒有溫室氣體會使空氣變暖，但是不會使氣溫持續上升，以至於海洋沸騰、岩石熔化。
漸漸增強的溫室效應
有人認為溫室效應對人類造成了威脅，但是沒有了溫室效應，地球上的生活會難以繼續下去。如果空氣中不含有自然存在的溫室氣體，地表的平均氣溫將會是—4°F（—20益）。在這樣溫度裏，植物不會生長，多數海洋將被冰覆蓋。
由於我們把溫室氣體放入空氣，所以現在的空氣比過去含有更多的溫室氣體，溫室氣體的密度在增加。如果這種現象繼續下去，更多的長波輻射被捕捉到大氣中，造成平均氣溫升高。氣象學家稱之為增強的溫室效應，目的是把它與自然的溫室效應相區別。正是這種增強的溫室效應導致了全球變暖，但是情況並不這麼簡單。
二氧化碳是地球放射的最重要的溫室氣體，並不是因為它比別的氣體更容易吸收，而是因為我們大量地釋放二氧化碳。
當我們燃燒含碳的東西時，就會產生二氧化碳，因為燃燒會使碳氧化為二氧化碳（C+O2寅CO2），這是以熱的形式釋放能量的化學反應。所有的植物，還有泥炭、煤、天然氣和石油都含有碳。然而，在通過燃燒所釋放的二氧化碳中，隻有大約一半的量積聚在大氣中。科學家們也不知道剩餘的二氧化碳去向哪裏。一些二氧化碳溶解於海洋，一些在光合作用中被植物吸收，但是大量的二氧化碳，大約每年20億噸，解釋不出用於何處。
關於海洋變暖仍然有很多需要了解。洋流從低緯度到高緯度輸送熱量，所以對氣候有重要影響，但是關於全球海洋表麵氣溫上升的詳細結果還不大確定。
科學家也推測不出雲是怎麼及在哪形成的。一些雲反射太陽輻射，另一些吸收向外放射的紅外輻射，所以了解天氣變暖會如何影響雲的形成是非常重要的。
如果氣溫上升，更多的水將從地麵蒸發，所以雲會增加，有更多的雨雪。這會造成幾種後果，例如，極地冰蓋也許會增厚，因為會降更多的雪，這樣海平麵會保持現有的狀況，或者甚至下降，而不會冰蓋溶化、海平麵升高。在高緯度會降更多的雨雪，導致流入海洋的淡水量增多。