Các tia bức xạ sóng ngắn của mặt trời xuyên qua bầu khí quyển đến mặt đất và được phản xạ trở lại thành các bức xạ nhiệt sóng dài. Một số phân tử trong bầu khí quyển, trong đó trước hết là điôxít cacbon và hơi nước, có thể hấp thụ những bức xạ nhiệt này và thông qua đó giữ hơi ấm lại trong bầu khí quyển. Hàm lượng ngày nay của khí đioxit cacbon vào khoảng 0,036% đã đủ để tăng nhiệt độ thêm khoảng 30 °C. Nếu không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên này nhiệt độ Trái Đất của chúng ta chỉ vào khoảng –15 °C.

Có thể hiểu một cách ngắn gọn như sau: ta biết nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái Đất được quyết định bởi cân bằng giữa năng lượng mặt trời chiếu xuống Trái Đất và lượng bức xạ nhiệt của mặt đất vào vũ trụ. Bức xạ nhiệt của mặt trời là bức xạ có sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua tầng ozon và lớp khí CO2 để đi tới mặt đất, ngược lại bức xạ nhiệt từ Trái Đất vào vũ trụ là bức sóng dài, không có khả năng xuyên qua lớp khí CO2 dày và bị CO2 + hơi nước trong khí quyển hấp thụ. Như vậy lượng nhiệt này làm cho nhiệt độ bầu khí quyển bao quanh Trái Đất tăng lên. Lớp khí CO2 có tác dụng như một lớp kính giữ nhiệt lượng tỏa ngược vào vũ trụ của Trái Đất trên quy mô toàn cầu.Bên cạnh CO2 còn có một số khí khác cũng được gọi chung là khí nhà kính như NOx, Metan, CFC.

Ở thời kỳ đầu của lịch sử Trái Đất, các điều kiện tạo ra sự sống chỉ có thể xuất hiện vì thành phần của điôxít cacbon trong bầu khí quyển nguyên thủy cao hơn, cân bằng lại lượng bức xạ của mặt trời lúc đó yếu hơn đến khoảng 25%. Cường độ của các tia bức xạ tăng lên với thời gian. Trong khi đó đã có đủ cây cỏ trên Trái Đất, thông qua sự quang hợp, lấy đi một phần khí điôxít cacbon trong không khí tạo nên các điều kiện khí hậu tương đối ổn định.