지구온난화의 직접적인 원인은 이산화탄소와 같은 온실기체가 대기 중으로 배출됨으로써 일어나는 온실효과 때문인데, 자연계에 존재하는 대표적인 온실효과기체는 수증기와 이산화탄소이다. 온실효과기체라는 것은 가시광선을 투과시키지만, 적외선을 잘 흡수하는 광학적 성질을 가진 기체이다. 대기 중에 포함된 다른 주요한 성분, 질소, 산소, 아르곤 등은 적외선을 흡수하는 성질이 없어 온실효과기체가 아니다. 한편, 프레온가스, 할론가스, 메탄 등의 유기가스, 질소산화물, 오존 등은 적외선을 잘 흡수하는 온실효과기체이다.
태양에서 지구로 오는 빛 에너지 중에서 약 34%는 구름 등에 의해 반사되고 지표면에는 약 44% 정도만이 도달한다. 지구는 태양으로부터 받은 이 에너지를 파장이 긴 적외선으로 방출하는데, 이산화탄소가 적외선 파장의 일부를 흡수한다. 적외선파를 흡수한 이산화탄소 내의 탄소 분자는 들뜬 상태가 되고, 안정 상태를 유지하기 위해 에너지를 방출하는데, 바로 이 에너지가 지구를 따뜻하게 만드는 것이다.