地球的溫室效應主要是由於大氣中的某些氣體能夠吸收地面放出的長波輻射，從而保持地球表面的溫度不至於過低。這些氣體包括二氧化碳、甲烷、臭氧、氧化亞氮、氯氟烴以及水汽等。這些氣體既能吸收來自太空的長波輻射，又能攔截地表向外放出的長波輻射，從而使大氣下層和地表溫度升高。
具體來說，大氣能使太陽短波輻射到達地面，但地表受熱後向外放出的大量長波熱輻射線卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高。如果沒有大氣的溫室效應，地表平均溫度就會下降到-23℃，而實際地表平均溫度為15℃，這就是說溫室效應使地表平均溫度提高了38℃。
人類活動，尤其是工業革命以來，大量使用煤炭、石油、天然氣等資源，導致二氧化碳等吸熱性強的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應也隨之增強。此外，森林採伐、永凍層的融化、農業活動中甲烷和一氧化二氮的排放等也是導致全球氣候變暖的原因。