Bằng chứng phổ biến nhất về hiện tượng ấm lên toàn cầu là xu hướng thay đổi trong nhiệt độ trung bình trên toàn cầu gần bề mặt Trái Đất. Thể hiện trên thang tuyến tính, nhiệt độ trung bình này tăng 0,74 °C ±0,18 °C trong khoảng thời gian 2000-2018. Tốc độ ấm lên trong vòng 18 năm gần đây hầu như tăng gấp đôi trong giai đoạn này (0,13 °C ±0,03 °C mỗi thập kỷ, so với 0,07 °C ± 0,02 °C mỗi thập kỷ trong giai đoạn đầu). Ảnh hưởng của đảo nhiệt đô thị được ước tính góp thêm vào khoảng 0,002 °C cho sự ấm lên trong mỗi thập kỷ kể từ năm 1900.[8] Nhiệt độ trong tầng đối lưu dưới tăng trong khoảng 0,12 - 0,22 °C (0,22–0,4 °F) mỗi thập kỷ từ năm 1979 theo các đo đạc nhiệt độ vệ tinh. Người ta tin rằng nhiệt độ tương đối ổn định trong một hoặc hai ngàn năm qua cho đến trước năm 1850, và có sự dao động cục bộ như thời kỳ ấm trung cổ hay thời kỳ băng hà nhỏ.[9]

Theo các tính toán của Viện Nghiên cứu Không gian Goddard của NASA, năm 2005 là năm ấm nhất, kể từ khi có các số liệu đo đạc đáng tin cậy từ cuối thập niên 1800, cao hơn mức kỷ lục năm 1998 vài phần trăm độ.[10] Các ước tính của Tổ chức Khí tượng Thế giới và Bộ phận Nghiên cứu Khí hậu thì cho rằng năm 2005 là năm ấm nhất thứ hai, thua năm 1998.[11][12] Nhiệt độ năm 1998 ấm lên bất thường vì đó là năm mà hiện tượng El Nino với cường độ mạnh nhất thế kỷ XX đã diễn ra.[13] Sự ổn định tương đối của nhiệt độ từ 1999 đến 2009 được xem là một giai đoạn ổn định trong thời gian ngắn vì nếu xét trong khoảng thời gian dài thì nó có nhiều dao động.[14][15]

Sự thay đổi nhiệt độ diễn ra khác nhau ở những khu vực khác nhau trên địa cầu. Từ năm 1979, nhiệt độ trên đất liền tăng nhanh hơn khoảng 2 lần so với sự gia tăng nhiệt độ ở đại dương (0,25 °C/thập kỷ trên đất liền, 0,13 °C/thập kỷ ở đại dương).[16] Nhiệt độ đại dương tăng chậm hơn trên đất liền bởi vì các đại dương có nhiệt dung riêng hiệu dụng lớn hơn và do đại dương mất nhiệt nhiều hơn thông qua sự bốc hơi.[17] Bắc bán cầu ấm nhanh hơn Nam bán cầu bởi vì nó có diện tích đất lớn hơn và vì nó có những khu vực rộng lớn có mùa tuyết và vùng biển có băng che phủ, nơi diễn ra hiện tượng phản hồi ice-albedo. Mặc dù có nhiều khí nhà kính được thải vào Bắc bán cầu hơn Nam bán cầu, nhưng nó không góp phần vào sự khác biệt ở mức độ ấm lên ở 2 vùng này vì các khí nhà kính có thể tồn tại đủ lâu để hòa trộn giữa hai bán cầu.[18]

Vì có độ trễ trong quá trình truyền nhiệt ở các đại dương và vì sự phản ứng chậm chạp của các yếu tố ảnh hưởng gián tiếp khác, khí hậu có thể mất hàng thế kỷ hoặc lâu hơn để điều chỉnh theo các biến đổi này. Các nghiên cứu về phản ứng khí hậu chỉ ra rằng thậm chí nếu các khí nhà kính được giữ ổn định ở mức độ của năm 2000, thì sự ấm lên sau đó vào khoảng 0.5 °C (0.9 °F) vẫn có thể diễn ra.[19]

Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới và Bộ phận Nghiên cứu Khí hậu năm 1998 là năm ấm nhất kể từ khi có số liệu đo đạc nhiệt đồ từ thập niên 1800, vì đó là năm mà hiện tượng El Nino với cường độ mạnh nhất thế kỷ XX đã diễn ra. Giai đoạn từ năm 1999 đến 2009 nhiệt độ Trái Đất tương đối duy trì ổn định. Biến đổi nhiệt độ đã và sẽ gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng.

Giáo sư Will Steffen của trường Đại học Quốc gia Australia, nói: "Chúng ta biết nhiệt độ mặt nước biển ấm lên khá nhiều trên khắp hành tinh, vì vậy sự biến đổi khí hậu có ảnh hưởng trực tiếp vào bản chất của cơn bão Haiyan". Haiyan là tên của một trong những cơn bão kỷ lục có sức tàn phá mạnh nhất từng được thế giới ghi nhận (08/11/2013).