A Terra, em sua longa história, já sofreu muitas mudanças climáticas globais de grande amplitude. Isso é demonstrado por uma série de evidências físicas e por reconstruções teóricas. Já houve épocas em que o clima era muito mais quente do que o de hoje, com vários graus acima da temperatura média atual, tão quente que em certos períodos o planeta deve ter ficado completamente livre de gelo. Entretanto, isso aconteceu há milhões de anos, e suas causas foram naturais. Também ocorreram vários ciclos de resfriamento importante, conduzindo às glaciações, igualmente por causas naturais. Entre essas causas, tanto para aquecimentos como para resfriamentos, podem ser citadas mudanças na atividade vulcânica, na circulação marítima, na atividade solar, no posicionamento dos polos e na órbita planetária. A mudança significativa mais recente foi a última glaciação, que terminou em torno de 10 mil anos atrás, e projeta-se que outra não aconteça antes de 30 mil anos.[10]
Este último período interglacial, chamado Holoceno, também sofreu mudanças climáticas naturais, embora tenha sido um período de notável estabilidade quando comparado às interglaciais anteriores. Houve variações perceptíveis, mas tiveram pequena amplitude e provavelmente foram fenômenos localizados e não globais, como o período quente medieval ou a pequena idade do gelo, que são melhor explicadas por causas naturais. Muitas dessas mudanças, especificamente os períodos de aquecimento, são em alguns aspectos comparáveis às que hoje se verificam, mas em outros aspectos o aquecimento contemporâneo é distinto, principalmente no que diz respeito às suas causas e à velocidade em que está acontecendo.[11]
É inequívoco que a temperatura média da Terra tem se elevado desde meados do século XIX. No período de 1880–2012 a temperatura global, combinando os registros dos oceanos e dos continentes, aumentou em média 0,85 °C, com uma faixa de variação de 0,65 a 1,06 °C. A elevação na temperatura não foi, porém, linear, com várias oscilações para mais e para menos. Variações desse tipo são naturais e esperadas, mas a tendência geral é claramente ascendente. Cada uma das três últimas décadas têm sido mais quente do que a década anterior,[12] recordes de temperatura têm sido batidos a cada ano nos últimos anos, e evidências recentes apontam para uma tendência de aceleração na velocidade do aquecimento nos últimos 15 anos.[13] Esse aumento não pode ser explicado satisfatoriamente sem levarmos em conta a influência humana. De fato, há fortes evidências indicando que o aquecimento antrópico tem sido tão importante que reverteu uma tendência natural dos últimos 5 mil anos de resfriamento do planeta.[12] Apesar de o oceano absorver mais calor do que as massas continentais, responde com mais lentidão, e desde 1979 as temperaturas em terra aumentaram quase duas vezes mais rápido que as temperaturas no oceano (0,25 °C por década contra 0,13 °C por década). As temperaturas na troposfera mais baixa aumentaram entre 0,12 e 0,22 °C por década desde 1979.[14]
Emissões antrópicas de alguns poluentes — em especial aerossóis de sulfato — podem gerar um efeito refrigerante através do aumento do reflexo da luz incidente. Isso explica em parte o resfriamento observado no meio do século XX, embora isso possa também ser atribuído em parte à variabilidade natural.[15]