מאז המאה ה-19 גורמים בני האדם לשחרור של כמויות גדולות מאוד של פחמן דו-חמצני וגזי חממה אחרים לאוויר. עליית שיעור גזי החממה באטמוספירה גורם לעלייה בטמפרטורות וכתוצאה מכך לשינויים ארוכי טווח באקלים. ב-11,000 השנים שלפני המהפכה התעשייתית, הטמפרטורה העולמית הממוצעת הייתה יציבה על בערך 14 מעלות (צלזיוס) בממוצע עולמי. במהפיכה התעשייתית, שהחלה באמצע המאה ה-19, האנושות החלה לשרוף כמויות גדולות של דלק מאובנים: בהתחלה פחם, ואחר כך גם נפט וגז פוסילי. שריפה של דלק מאובנים מייצרת אנרגיה אבל גם משחררת גזי חממה כמו פחמן דו חמצני, מתאן ותחמוצות חנקן לאוויר שמצטברים במשך הזמן באטמוספירה. בהשוואה לשנת 1900, הרמה של פחמן דו-חמצני עלתה עד היום בכ-40%.

גזי החממה יוצרים באטמוספירה מעין שמיכה שבולעת את החום שכדור הארץ פולט (עקב קרינת השמש) ומונעת מחום זה להשתחרר לחלל. יש הוכחות מחקריות שגזי החממה באטמוספירה הם הסיבה העיקרית לעליית הטמפרטורה העולמית. הוכח כי גורמים אפשריים אחרים, כמו התפרצויות וולקניות, שינויים בפעילות השמש או מקורות טבעיים של פחמן דו חמצני, אינם הגורמים להתחממות הגלובלית גם אם יש להם השפעה קטנה, בנוסף לתרומה האנושית.

מאז המהפכה התעשייתית הטמפרטורה העולמית הממוצעת עלתה בכמעלה אחת בממוצע עולמי (1.4 מעלות באגן הים התיכון). זו עלייה מהירה בהקשר של מערכות אקלים עולמיות. שינויים בטמפרטורה העולמית הממוצעת בעבר התרחשו לאורך תקופות זמן ארוכות בהרבה.

שינוי האקלים גורם בין השאר לתופעות הבאות: המסת קרחונים בקטבים ובראשי ההרים, עליה במפלס פני הים, עליה בתדירות ובעוצמה של תופעות מזג אוויר קיצוני כמו סערות, בצורת וגלי חום, התפשטות מחלות, מחסור במי שתיה ובמזון, יצירת פליטי אקלים ועוד.