גזי חממה מופקים ממקורות טבעיים, כמו בעלי חיים וצמחייה, אך במאה השנים האחרונות נוספו למקורות הטבעיים גם מקורות מעשי ידי־האדם, כמו שריפת דלקים מאובנים (תחנות כוח המשתמשות בנפט, בגז או בפחם), מהווים מקורות מרכזיים לפליטת גזי חממה. פליטות משריפת דלק מאובנים לייצור חשמל לבדן אחראיות לכ-17 אחוז מכלל הפליטות. מקורות חשובים נוספים לפליטת פחמן דו-חמצני הם "דלק עריק", שנצרך במהלך ההפקה וההובלה של דלק (5.8 אחוז מהפליטות), תהליכי ייצור (5.2 אחוז מהפליטות), שריפת אשפה במטמנות, וכדומה. הפליטות ממקורות אנושיים מסתכמות בתוספת של כ-22 מיליארד טונות של פחמן דו-חמצני וגזי חממה אחרים הנפלטים לאטמוספירה של כדור הארץ. כמעט מחצית מהפליטות האנושיות נשארות באטמוספירה. מקור חשוב נוסף של פליטה ממקורות אנושיים הוא פליטת מתאן ותחמוצת החנקן בפעילויות כמו חקלאות בעלי חיים, שימוש בדשנים, משדות אורז, וכדומה (כ-6.3 אחוז מהפליטות). פעילות זו תורמת כ-450 מיליון טונות של מתאן בכל שנה.
בשנת 2012 הגיע ריכוז הפחמן דו-חמצני באטמוספירה ל-393ppm, ואילו ריכוז המתאן באטמוספירה הגיע בשנה זו ל-1819ppb - ריכוזים הגבוהים בלמעלה מ-40% ולמעלה מ-160% (בהתאמה) מריכוזם של גזים אלה באטמוספירה בתקופה הטרום-תעשייתית. ריכוזים אלו גבוהים משמעותית מהריכוזים שהיו באטמוספירה במועד כלשהו ב-650,000 השנים האחרונות, שלגביהן נערכו אומדנים המתבססים על מחקר של ליבות קרח. עדויות גאולוגיות עקיפות מצביעות, לטענת חוקרים, על־כך שרמות גבוהות כאלה של פחמן דו-חמצני שררו בכדור הארץ בפעם האחרונה רק לפני כ-40 מיליון שנה. כשלושה רבעים מהפליטות ממקורות אנושיים בעשור האחרון של המאה ה-20 ובעשור הראשון של המאה ה-21 מקורם בבעירת דלק מאובנים. חלק מהותי משאר הפליטות מקורו בשינויים בשימוש בקרקע, בעיקר בעקבות בירוא יערות. פליטות אנושיות של מזהמים אחרים – בעיקר אירוסולים סולפטיים – יוצרות אפקט קירור. לאיזון בין ההשפעה המחממת של העלייה בריכוז גזי החממה, לבין ההשפעה המקררת של העלייה בריכוז האירוסולים, מקובל לייחס את תקופת היציבות בטמפרטורת כדור הארץ שנרשמה באמצע המאה העשרים.
מדידת-המכשירים הרציפה הממושכת ביותר של ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה החלה ב-1958, במאונה לואה שבהוואי. מאז, עלו הערכים הממוצעים השנתיים בקצב קבוע, מ-315 יחידות למיליון (ppmv) ל-376 יחידות למיליון בשנת 2003. נתונים מהקוטב הדרומי מצביעים על גידול דומה. במדידות החודשיות ניכרות תנודות עונתיות קטנות. מספר מדענים משערים כי תהליכים של לולאות משוב מחזקות, כמו שחרור של עד 70,000 מיליון טונות של מתאן הכלואים בביצות באזורי אדמה קפואה תמידית בסיביר, עלולים להוביל להגדלה נוספת של פליטות גזי חממה.
רשת המחשוב העולמית פולטת 4 אחוזים מכלל פליטות גזי החממה - יותר מכל חברות התעופה ביחד - ונתון זה יכול להמריא ל-8 אחוזים עד 2025. הדרישה הגדלה לסרטונים ברזולוציות גבוהות, והשקתם של שירותי משחקי רשת, רק יגדילו את התרומה לפליטה.
גורמים נוספים.
בדיווח השלישי של ה-IPCC, נטען כי פעילותם של הרי געש ושינויים סולאריים עשויה הייתה לתרום עד מחצית השינוי בטמפרטורה הממוצעת לפני שנת 1950, אבל השפעתם של כוחות טבעיים אלו לא העלתה תרומה של ממש מאז. לפי דוח IPCC השפעת גזי חממה על השינוי באקלים גדולה פי שמונה מאז 1750 מאשר הפעילות הסולארית המוגברת לאורך אותה תקופה. מחקרים שונים העלו מאז את ההשערה כי השינויים בקרינה מאז התקופה שלפני המהפכה התעשייתית נמוכים בפקטור של 3–4 בהשוואה לחישובים המופיעים בדוח. ותרומת הפעילות המוגברת של השמש להתחממות העולמית היא 16–36 אחוז בהשוואה לתרומת גזי החממה.
השפעות סביבתיות.
להמשך תהליך התחממות העולמית תהיינה השפעות רבות ומגוונות, הן על הסביבה הטבעית והן על אורח החיים האנושי, אם כי אופיין והיקפן שנויים במחלוקת. סיכום של השפעות אפשריות ושל תובנות עכשוויות ניתן למצוא בדו"ח של קבוצת העבודה של ה-IPCC. לפי מספר מדענים, ההתחממות העולמית גורמת כבר עתה למקרי מוות ברחבי העולם כתוצאה משיטפונות, מהרס סביבתי, מגלי חום ומאירועים אחרים של מזג אוויר קיצוני, ואולי גם לעלייה בתפוצת מחלות. המחלוקת העזה ביותר בנושא זה ניטשת סביב סוגיית הקשר בין סופות הוריקן וההתחממות העולמית.
ראיות שניוניות של ההתחממות העולמית – קיטון בגודלן של פסגות מושלגות, עלייה במפלס פני הים , שינויים במזג האוויר – מספקות דוגמאות להשלכות של התחממות עולמית שעלולות להשפיע לא רק על הפעילות האנושית אלא גם על מערכות אקולוגיות. עלייה עולמית של הטמפרטורה הממוצעת פירושה שמערכות אקולוגיות עלולות להשתנות; מינים אחדים עשויים להידחק החוצה ממרחב המחיה שלהם (אולי אף עד הכחדה), עקב שינויים בתנאים, בעוד מינים אחרים עשויים לשגשג. ניתן לצפות כי רק מעטות מבין המערכות האקולוגיות בכדור הארץ תשארנה ללא שינוי.
הפשרת קרחונים.
ההתחממות העולמית הובילה למאזן מסה קרחוני שלילי, כשגרמה לנסיגת קרחונים ברחבי העולם. אורלמנס (Oerlemans, 2005) הצביע על נסיגה של 142 מתוך 144 קרחוני הרים ברשומות של 1900 עד 1980. מאז 1980 הנסיגה העולמית של קרחונים גדלה באופן משמעותי. באופן דומה, דיוגרוב ומאיר (Dyurgerov and Meier 2005) השוו ממוצעים של נתוני קרחונים על פני אזורי שטח גדולים (לדוגמה אירופה), ומצאו כי בכל אזור חלה ירידה בין השנים 1960 ל-2002, אף על פי שבכמה אזורים מקומיים (כדוגמת סקנדינביה) חלה עלייה. כמה קרחונים אשר נמצאו במצב של חוסר יציבות באקלים הנוכחי כבר נמסו, ועלייה נוספת בטמפרטורות צפויה לגרום לנסיגה נוספת ברוב הקרחונים בפסגות ההרים ברחבי העולם. למעלה מ-90% מהקרחונים עליהם דווח לשירות העולמי לניטור קרחונים, נסוגו מאז 1995.
התהליך שבו הקרחונים ברחבי העולם מפשירים בעקבות תוצאות ההתחממות הגלובלית, הוא תהליך שמזין את עצמו, זאת מכיוון שכאשר הקרחונים נמסים, הם חושפים יותר אדמה כהה והיא בולעת יותר קרינת שמש וכך מתחזקת את ההתחממות הגלובלית.
במחקר חדש מ 2019, עולה כי לפחות שליש מהקרח ברכסי ההימלאיה יפשיר עד סוף המאה. כמות כזו תפשיר גם אם האנושות תעמוד במטרות של הפחתת ההתחממות הגלובלית. אם ההתחממות הגלובלית ופליטת גזי החממה ימשיכו בקצב הנוכחי, רכס ההימלאיה יתחמם ביותר מארבע מעלות והאזור עלול לאבד כשני שלישים מהקרחונים שלו - עד 2100. המשמעות של הפשרת הקרחונים היא שיבוש באספקת מים המהווים מקור המים לכרבע מאוכלוסיית העולם: 250 מיליון בני אדם שחיים באזור ועוד 1.65 מיליארד שמסתמכים על הנהרות הזורמים מהפסגות.
הפשרת הקוטב הצפוני.
האזור הארקטי מתחמם מהר יותר יחסית לשאר אזורי כדור הארץ, בגלל חדירה של חום מאזורים חמים יותר, ובגלל לולאות משוב מחזק שמאפשרות חדירה של חום נוסף כאשר עוד קרח מפשיר. קצב ההפשרה של הקוטב מהיר יותר מהערכות שניתנו בעבר שהתבררו כזהירות מדי. לפי שירות הקרח הקנדי, כמות הקרח בארכיפלג הארקטי המזרחי של קנדה ירדה ב-15 אחוז בין 1969 ו-2004.
הפשרה של קרח בקוטב הצפוני עשויה לפתוח את המעבר הצפון-מערבי בקיץ, דבר שיחסוך 5,000 מיילים ימיים מנתיבי אוניות בין אירופה לאסיה. דבר זה יהיה משמעותי בעיקר עבור מכליות ענק, שגדולות מכדי לעבור בתעלת פנמה, ונדרשות בשל כך להקיף את דרום אמריקה.
הפשרה זו צפויה לפגוע באופן קשה במערכת האקולוגית של האזור הארקטי. דובי קוטב לדוגמה, צפויים להיכחד בטבע כתוצאה מכך עד סוף המאה ה-21, אם לא קודם לכן. השבטים האינואיטים שחיים באזורים אלה צפויים להיפגע משינויים אלה.
במחקר אשר פורסם ב 22 בינואר 2019, בכתב העת המדעי של האקדמיה הלאומית למדעים בארצות הברית הPNAS עולה כי הקרחונים בגרינלנד הגיעו לנקודת מפנה ומפשירים בקצב הולך וגובר עד שייתכן ויהפכו לגורם משמעותי בעליית גובה פני הים ברחבי העולם בתוך שני עשורים. המחקר החדש מצביע על כך שאובדן הקרח בגרינלנד, שרובו נמצא בחוג זה, מאיץ ככל שההתחממות מתגברת.
החוקרים מצאו כי קצב הפשרת הקרח באי ב-2012 היה גבוה פי ארבעה מבשנת 2003. ב-2012, כך לפי המחקר, גרינלנד איבדה יותר מ-400 מיליארד טונות של קרח.
צוות מחקר מאוניברסיטת אוהיו שבחן את עונתיות הקרחונים במשך 40 שנים, פרסם הצהרה לפיה בשנת 2020 עברו הקרחונים נקודת "שיווי-משקל" בהאצת איבוד המסה של הקרחונים, וגם אם ההתחממות הגלובלית הייתה נפסקת לחלוטין, לא יהיה די בכך לעצור את התכווצות הקרחונים, שתימשך זמן מה גם בתרחיש האופטימי ביותר. עם זאת, החוקרים מדגישים שביכולתנו עדיין להשפיע על קצב ההאטה.
הפשרת הקוטב הדרומי (אנטארקטיקה).
ב אנטארקטיקה מצוי כ-90% מהקרח בעולם, והוא מהווה כ-70% מהמים המתוקים על פני כדור הארץ. הפשרתו של כל הקרח, שנפחו עומד על כ-25 עד 30 מיליון קילומטר מעוקב, תגרום לעליית גובה פני הים ב-60 מטרים לערך.
במחקר מינואר 2019 שפורסם על ידי נאס"א עולה כי קיים חור ענק מתחת לקרחון תוויטס , חוקרי נאס"א הזהירו כי החור - ששטחו כשני שלישים ממנהטן - מעיד כי קצב המסת הקרחונים גבוה יותר מששוער עד אז.
בפברואר 2021 התנתק ממדף הקרח בראנט קרחון ששטחו כ-1,270 קמ"ר.
ערעור יציבות זרמי האוקיינוסים.
קיימת השערה לפיה התחממות עולמית תוכל לגרום לקירור מקומי או להתחממות פחותה של האזור הצפון אטלנטי, על ידי עצירה או האטה של הסירקולציה התרמוהלנית. דבר זה ישפיע במיוחד על אזורים ספציפיים כמו סקנדינביה ובריטניה, שמחוממים היום על ידי זרם הגולף. הסיכויים לתרחיש זה אינם ברורים.
התפשטות מחלות.