Ilmastonmuutoksesta tiedetään varmasti muutamia perusasioita. Kasvihuoneilmiö on yhtä vanha kuin ilmakehä. Maa-ilmakehäjärjestelmä on säteilytasapainossa: auringosta saadaan lyhytaaltosäteilyä ja maapallo säteilee avaruuteen pitkäasäteilyö. Ilmakehän kasvihuonekaasut (vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, typpioksiduuli) imevät itseensä maasta lähtevää pitkäaaltosäteilyä ja pitävät pinnan läheisen ilman lämpimänä. Kasvihuonekaasujen pitoisuuden muutokset vaikuttavat tähän säteilytasapainoon. Tiedetään, että kasvihuonekaasujen määrä on kasvanut teollisena aikana. Varsinkin hiilen ja öljyn poltto on johtanut ilmakehän hiilidioksipitoisuuden kasvuun. Mittaukset osoittavat että maapallon keskilämpötila on kasvanut noin puoli astetta viimeisen sadan vuoden aikana. Tämä on suurin tunnettu lämpötilan muutos tuhanteen vuoteen. Meren pinta on noussut sekä jää- ja lumipeite pienentyneet maapallolla.
Ilmastonmuutoksen havaitseminen ja tutkiminen on hankalaa, koska ilmaston tyypillinen tila on muutos ja vaihtelu sekä eri ajanjaksoina että alueellisesti. Ennen ihmistä maapallolla on ollut hyvin erilaisia ilmastokausia. Jokainen kuuma tai kylmä tulva, myrsky tai kuiva kausi ei ole merkki kasvihuoneilmiön voimistumisesta tai heikentymisestä. Tuhannet tekijät vaikuttavat ilmastojärjestelmään. Mikään niistä ei yksinään määrää ilmaston ominaisuuksia, jotka ovat tulosta kaikkien tekijöiden vuorovaikutuksesta. Ilmastotutkimukseen tarvitaan malleja, jotka ottavat huomioon kaikki vuorovaikutukset.
Tällaisia malleja on olemassa. Matemaattis-fysikaaliset mallit kuvaavat ilmakehästä, valtameristä ja maan pintakerroksesta koostuvan ilmastojärjestelmän vuorovaikutuksia. Malliyhtälöt perustuvat klassisen virtausmekaniikan peruslakeihin. Mallit luovat oman ilmastonsa ratkomalla yhtälöitä aika-askel kerrallaan maapallon kattavassa kolmiulotteisessa ruudukossa. Pienimmän mittakaavan ilmiöt otetaan laskentaan mukaan epäsuorasti. Olennaisesti samanlaiset mallit tuottavat päivittäisiä sääennusteita. Mallitulosten luotettavuudesta kertoo se, etta ne pystyvät hyvin kuvaamaan nykyisen ja menneen ilmaston peruspiirteet ja arvioimaan jo tapahtuneen muutoksen sekä luonnolliset että ihmisen aiheuttamat syyt.
Ilmastomallit ennustavat että maapallon keskilämpötila nousee useita asteita tämän vuosisadan loppuun mennessä. Lumi ja jää vähentyvät ja merenpinta nousee. Kosteus ja sademäärät kasvavat keskileveysasteilla. Mallit ovat vielä epävarmoja arvioidessaan keskimääräisolojen muutoksen suuruutta ja vauhtia; ilmastosuureiden herkkyyttä kasvihuonekaasujen pitoisuuden muutoksille; muutosten vaihtelua ajallisesti ja paikallisesti; ääri-ilmiöiden yleistymistä; peruuttamattomien muutosten mahdollisuutta.