Sau khi đốt cháy hết hiđrô trong 4,8 tỉ năm tới, Mặt Trời sẽ bước vào giai đoạn sao bán khổng lồ và tăng gấp đôi kích thước trong vòng 2 tỉ năm tiếp theo. Sau đó nó sẽ giãn nở nhanh hơn trong 500 triệu năm nữa cho tới khi đạt kích thước gấp 200 lần hiện tại. Khi diện tích bề mặt của Mặt Trời tăng lên, lượng năng lượng mà nó tỏa ra cũng tăng theo. Trừ khi bán kính quỹ đạo của Trái Đất tăng lên đáng kể, nhiệt độ toàn cầu của Trái Đất sẽ gia tăng theo độ sáng ngày càng cao của Mặt Trời, đồng thời nước sẽ bay hơi ra ngoài không gian ngày càng nhiều hơn. Hiện tại, hiđrô trong khí quyển thoát ra ngoài không gian với tốc độ xấp xỉ 1 mét mực nước biển mỗi 1 tỉ năm, nhưng khi Mặt Trời ngày càng nóng lên, tốc độ này sẽ tăng lên đến 1 mét mực nước biển mỗi 1 triệu năm. Sự biến mất của nước trên bề mặt Trái Đất với vai trò là chất bôi trơn sẽ khiến lớp vỏ Trái Đất trở nên quá khô và không thể bị hút chìm xuống lớp phủ, từ đó làm cho hoạt động kiến tạo mảng diễn ra chậm đi và cuối cùng dừng lại. Khi đó, cacbon không còn được giải phóng vào khí quyển thông qua hoạt động núi lửa, và đồng thời cũng không thể bị hút chìm xuống đáy đại dương, tức là chu trình cacbon cũng sẽ chấm dứt. Nhà khoa học địa chất James Kasting thì lại cho rằng các đại dương sẽ biến mất trong chỉ 1 tỉ năm, sớm hơn nhiều so với mốc thời gian trên.Quá trình phong hóa các khoáng vật silicat sẽ diễn ra nhanh hơn. Theo đó lượng cacbon điôxít sẽ giảm đi, do những quá trình đó chuyển hóa cacbon điôxít thành các cacbonat. Trong vòng 600 triệu năm tới, mật độ CO2 sẽ giảm quá ngưỡng cần thiết để duy trì quá trình quang hợp của thực vật C3 (khoảng 50 phần triệu). Lúc này, cây cối và các khu rừng hiện nay sẽ không thể tiếp tục tồn tại chỉ còn thông thường xanh có khả năng sống sót. Tuy nhiên, thực vật C4 có thể tiếp tục quang hợp ở mật độ CO2 thấp hơn nhiều (trên 10 phần triệu), nhờ đó có khả năng tồn tại trong ít nhất 0,8 là tỉ năm và nhiều nhất là 1,2 tỉ năm tới. Sau đó nhiệt độ tăng cao sẽ khiến sinh quyển không thể sống sót. Hiện nay, thực vật C4, điển hình là 50% tổng số loài thuộc họ Cỏ và nhiều loài khác thuộc họ Dền, chiếm khoảng 5% sinh khối thực vật và 1% tổng số loài thực vật được biết đến.Khi đã giảm xuống tới ngưỡng không thể duy trì quang hợp, hàm lượng CO2 sẽ bắt đầu dao động lên và xuống. Điều này cho phép thực vật trên cạn sinh sôi mỗi khi mức CO2 tăng lên. Nhưng trong dài hạn toàn bộ thực vật vẫn sẽ tuyệt chủng. Một số vi sinh vật có khả năng quang hợp ở hàm lượng CO2 thấp tới vài phần triệu, nên những dạng sống này có thể sẽ tiếp tục tồn tại cho tới khi nhiệt độ trở nên quá cao. Thực vật—và theo đó là động vật—cũng có thể sống sót lâu hơn bằng cách tiến hóa. Một số chiến lược bao gồm giảm lượng CO2 cần thiết cho quang hợp, chuyển sang ăn thịt, thích nghi với sự khô hạn, và cộng sinh với nấm. Những sự thích nghi như vậy nhiều khả năng sẽ diễn ra khi hiệu ứng nhà kính ẩm bắt đầu.Do sự tuyệt chủng của thực vật, khí quyển Trái Đất cũng sẽ không còn ôxi và theo đó là ôzôn. Điều này nghĩa là sự sống ngày càng ít được bảo vệ khỏi tia cực tím và sẽ dần bị tuyệt diệt. Các loài động vật đầu tiên biến mất là động vật có vú lớn, tiếp đó là động vật có vú nhỏ, chim, động vật thân mềm và cá lớn, bò sát và cá nhỏ, và cuối cùng là động vật không xương sống.Trong cuốn sách The Life and Death of Planet Earth của mình, các tác giả Peter D. Ward và Donald Brownlee cho rằng một số dạng sống sẽ tiếp tục tồn tại ngay cả khi hầu hết thực vật trên Trái Đất đã biến mất. Bằng những chứng cứ hóa thạch được tìm thấy ở Burgess Shale, Ward và Brownlee đã xác định tình trạng khí hậu trong thời kì bùng nổ kỷ Cambri, từ đó dự đoán sự thay đổi khí hậu trong tương lai khi độ nóng của Mặt Trời ngày càng cao và hàm lượng ôxi trong khí quyển ngày càng giảm khiến nhiệt độ toàn cầu tăng lên, cuối cùng dẫn đến sự tuyết chủng của động vật. Họ cũng so sánh sự gia tăng rồi lại giảm đi của đa dạng sinh học với đường bay của một quả đại bác: lên cao đến hiện tại rồi rơi xuống về phía tương lai. Ban đầu, họ công nhận rằng một số loài côn trùng, bò sát, chim và động vật có vú nhỏ cũng như các sinh vật biển có thể sẽ sống sót. Tuy nhiên, họ cho rằng nếu không có ôxi do thực vật cung cấp, chúng sẽ chết vì ngạt thở trong vòng và triệu năm. Và cho dù trong khí quyển vẫn còn đủ ôxi nhờ một dạng quang hợp nào đó, nhiệt độ toàn cầu ngày càng tăng vẫn sẽ làm giảm đi sự đa dạng sinh học. Các dạng sống động vật cuối cùng sẽ bị đẩy về hai cực và thậm chí là xuống dưới mặt đất. Chúng sẽ hoạt động chủ yếu vào ban đêm và tránh nóng vào ban ngày. Hầu hết bề mặt Trái Đất sẽ trở thành những hoang mạc cằn cỗi và sự sống tập trung chủ yếu trong lòng các đại dương. Tuy nhiên, khi lượng nước hữu cơ đổ từ đất liền vào các đại dương cũng như hàm lượng ôxi trong nước biển ngày càng giảm đi, sự sống ở đây cũng sẽ biến mất theo cách tương tự như những gì đã xảy ra trên cạn, và động vật không xương sống, đặc biệt là những loài không phụ thuộc vào thực vật như mối và giun ống khổng lồ sinh sống gần các miệng phun thủy nhiệt, là những loài động vật cuối cùng. Kết cục là các dạng sống đa bào có khả năng sẽ tuyệt chủng trong vòng 800 triệu năm, sau đó là các sinh vật nhân chuẩn trong vòng 1,3 tỉ năm và chỉ còn lại các sinh vật nhân sơ.