Im Gegensatz zum auf geologischen Zeitskalen ablaufenden natürlichen atmosphärischen Treibhauseffekt mit seinen Regulationsmechanismen läuft der anthropogene Treibhauseffekt in extrem kurzer Zeit ab. Die Erhöhung der Konzentration der Treibhausgase in den letzten 100 Jahren (CO₂ um etwa 35 %, Methan um ca. 150 % durch Reisanbau, Rinderzucht und Müllfäulnis) führte zu einer Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur um ca. 0,8 K in den letzten 100 Jahren. Damit hat der Mensch einen Anteil von 2 % am gesamten Treibhauseffekt von 33 °C.

Aus der Analyse von Bohrungen im antarktischen Eis durch das Europäische Projekt für Eiskernbohrung in der Antarktis und Bohrungen im Wostok-Eiskern geht hervor, dass die globale Kohlenstoffdioxidkonzentration mindestens während der letzten 750.000 Jahre nie 290 ppm (parts per million, Teile pro Million) überschritten hat. Während der Eiszeiten war sie mit 180 ppm niedriger als während der Warmzeiten. Mit Beginn der Industrialisierung stieg die Konzentration exponentiell an. Der rote Kurvenabschnitt ergibt sich aus kontinuierlichen Messungen der Messstation Mauna Loa auf Hawaii seit 1958. Im Jahre 2002 betrug der Mittelwert bereits 375 ppm, die jährliche Zuwachsrate 1,5 ppm. Gegenwärtig erreicht der Mittelwert 381 ppm.

Die jahreszeitlichen Schwankungen spiegeln die Vegetationsperiode der Nordhalbkugel wieder: Von April bis September wird durch die Photosynthese CO₂ verbraucht. Von Oktober bis März, wenn die Photosyntheserate stark herabgesetzt ist, steigt der CO₂-Gehalt aufgrund der jetzt überwiegenden Zellatmung und anthropogener Verbrennungsprozesse an.

Die Amplitude des Jahresganges hängt vom Standort der Mess-Station ab:

• Zugspitze (2650 m): 11,4 ppm. Hier liegt die Mess-Station oberhalb der Vegetationszone.
• Schauinsland (1200 m): 14,0 ppm. diese Mess-Station wird stärker von anthropogenen CO₂-Quellen beeinflusst.
• Hawaii: 5,9 ppm.

Von der klaren Mehrheit der Wissenschaftler wird die Hypothese vertreten, die vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre, der so genannte anthropogene Treibhauseffekt, werde in den nächsten Jahrzehnten und Jahrhunderten eine weitere globale Erwärmung und damit einen Klimawandel bewirken, beziehungsweise dass dieser schon eingetreten ist und sich weiter auswirken wird. Begründet wird der anthropogene Treibhauseffekt mit dem Anstieg der Treibhausgase auf das Doppelte des vorindustriellen Niveaus, wie es auch im IPCC-Bericht angegeben ist. Die Empfindlichkeit des Klimas auf CO₂-Änderungen wird als Klimasensitivität bezeichnet. Diese Klimasensitivität liegt bei den verschiedenen globalen Klimamodellen bei 1,5 °C bis 4,5 °C, wobei die meisten Modelle ein Erwärmung um ca. 3 °C bei einer Verdoppelung des CO₂-Gehalts berechnen. Die Ergebnisse der Klimamodelle zeigen auch die Zunahme von Wetterextremen, den Anstieg des Meeresspiegels und Veränderungen an der Eisbedeckung der Erde (siehe Folgen der globalen Erwärmung). Da viele der in den Modellen prognostizierten Ereignisse gleichzeitig auch beobachtet werden können, dienen diese Erscheinungen als zusätzliche Belege für den anthropogenen Treibhauseffekt.

Der anthropogene Treibhauseffekt ist nicht zu verwechseln mit der ebenfalls vom Menschen verursachten Schädigung der stratosphärischen Ozonschicht, die zum so genannten Ozonloch führt.

Wolken beeinflussen das Klima der Erde maßgeblich neben den Treibhausgasen Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon. Wolken reflektieren dabei einen Teil der einfallenden Sonnenenergie, die Helligkeit der Wolken stammt dabei von der reflektierten kurzwelligen Energie. Wenn die Optische Dicke niedriger Wolken größer wird, und somit mehr Energie zurückgestrahlt wird, sinkt die Temperatur der Erde und umgekehrt.

Hohe Wolken sind oft dünn und nicht sehr reflektierend. Sie lassen einen Großteil der Sonnenwärme durch, und da sie sehr hoch liegen, wo die Lufttemperatur sehr niedrig ist, strahlen diese Wolken nicht viel Wärme ab. Die Tendenz hoher Wolken ist, die Erde zu erwärmen. Niedrige Wolken sind oft dicht und reflektieren viel Sonnenlicht zurück in den Weltraum. Sie liegen dabei auch niedriger in der Atmosphäre, wo Temperaturen wärmer sind, und strahlen deshalb mehr Wärme ab. Die Tendenz niedriger Wolken ist, die Erde zu kühlen.

Die Vegetation und die Beschaffenheit des Bodens und insbesondere seine Versiegelung, Entwaldung oder Landwirtschaftliche Nutzung haben maßgeblichen Einfluss auf die Verdunstung und somit auf die Wolkenbildung und das Klima.