Các công cụ chính cho các nghiên cứu biến đổi khí hậu trong tương lai là các mô hình toán học dựa trên các nguyên tắc vật lý như thủy động lực học, nhiệt động lực học và trao đổi bức xạ. Mặc dù các nhà khoa học cố gắng đưa nhiều thông số vào các mô hình nếu có thể, nhưng viêc đơn giản hóa hệ khí hậu thực tế là khó tránh khỏi do những ràng buộc vào khả năng hiện tại của máy tính và những giới hạn về những hiểu biết đối với hệ thống khí hậu. Tất cả các mô hình khí hậu hiện đại thực tế là sự kết hợp của các mô hình khác nhau về Trái Đất. Các mô hình này bao gồm mô hình khí quyển về chuyển động của không khí, nhiệt độ, mây, và các đặc điểm khác của khí quyển; mô hình đại dương có thể dự đoán nhiệt độ, hàm lượng muối và vòng tuần hoàn nước biển; các mô hình về lớp băng phủ trên đất liền và trên biển; và mô hình về nhiệt, độ ẩm truyền từ đất và thực vật vào khí quyển. Một số mô hình cũng bao gồm ảnh hưởng của các quá trình sinh hóa.[55] Hiện tượng ấm do tăng khí nhà kính không phải là một giả thuyết của các mô hình; thay vào đó, nó là một kết quả cuối cùng của sự tương tác của các khí nhà kính với truyền xạ và quá trình vật lý khác nhau trong các mô hình.[56] Mặc dù phần lớn các khác biệt trong các kết quả của mô hình phụ thuộc vào lượng phát thải khí nhà kính trong dữ liệu đầu vào, hiệu ứng nhiệt độ của một nồng độ khí nhà kính cụ thể (nhạy cảm khí hậu) thay đổi tùy theo mô hình sử dụng. Sự có mặt của mây cũng là một trong những nguồn chính của sự không chắc chắn trong các mô hình hiện nay.[57]

Mô hình khí hậu toàn dầu về khí hậu trong tương lai phần lớn sử dụng lượng phát thải khí nhà kính từ các số liệu theo báo cáo của IPCC (Special Report on Emissions Scenarios). Thêm vào các chất thải do con người, một số mô hình cũng bao gồm các mô phỏng liên quan đến chu trình cacbon; điều này thường đưa ra những cảnh báo tiêu cực, mặc dù các cảnh báo này là không chắc chắn. Một số nghiên cứu mang tính quan sát cũng cho những kết quả tiêu cực.[58][59][60] Bao gồm cả sự không chắc chắn về nồng độ khí nhà kính trong tương lai và sự nhạy cảm khí hậu, IPCC dự báo nhiệt độ Trái Đất ấm lên khoảng 1,1 °C đến 6,4 °C (2.0 °F đến 11.5 °F) vào cuối thế kỷ XXI so với 1980–1999.[1]

Các mô hình cũng được sử dụng để giúp khảo sát nguyên nhân gây biến đổi khí hậu gần đây bằng cách so sánh với các biến đổi quan sát được với các mô hình từ các nguyên nhân do con người và tự nhiên. Mặc dù các mô hình này không có các thuộc tính rõ ràng về sự ấm lên trong khoảng thời gian 1910-1945 là do thay đổi tự nhiên hay tác động của con người, nhưng các nhà phân tích mô hình cho rằng sự ấm lên từ 1970 chủ yếu là do các khí nhà kính do con người thải ra.[61]

Các mô hình vật lý thực tế đã được kiểm tra thông qua việc xem xét khả năng của chúng nhằm mô phỏng khí hâu hiện tại hoặc trong quá khứ.[62] Các mô hình khí hậu hiện tại cho ra các kết quả khá sát với số liệu nhiệt độ được quan sát trên toàn cầu trong thế kỷ qua, như chưa mô phỏng tất cả các khía cạnh của khí hậu.[27] Không phải tất cả những ảnh hưởng của hiện tượng ấm lên toàn cầu đều được dự đoán một cách chính xác thông quan các mô hình khí hậu theo IPCC. Ví dụ, các quan sát cho thấy Bắc Cực co lại nhanh hơn dự đoán.[63]