Môi trường chịu nhiều ảnh hưởng từ hiện tượng Ấm lên toàn cầu. Nó ảnh hưởng đến các nguồn tài nguyên như tài nguyên biển (Nhiệt độ tăng làm cho nguồn thủy sản, hải sản bị phân tán. Trữ lượng các loài hải sản có giá trị kinh tế giảm sút,.), lâm nghiệp (thay đổi diện tích Rừng ngập mặn, tăng nguy cơ cháy rừng,..), năng lượng và giao thông, đa dạng sinh học, thời tiết thất thường, nguy hiểm nhất là ảnh hưởng đến sức khỏe và tính mạng con người trước thiên tai, dịch bệnh… Sự nóng lên của khí hậu toàn cầu có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Dưới đây là một số ví dụ:

Nếu khí quyển ấm lên là áp suất hơi nước bão hòa tăng và lượng hơi nước trong khí quyển sẽ có xu hướng tăng. Vì hơi nước là khí nhà kính, nên sẽ làm cho khí quyển càng ấm hơn; việc ấm lên này làm cho khí quyển giữ nhiều hơi nước hơn, và kéo dài cho đến khi các quá trình khác trong khí quyển đạt đến sự cân bằng. Kết quả là hiệu ứng nhà kính không chỉ do một mình CO2 gây ra. Mặc dù quá trình này làm tăng độ ẩm tuyệt đối của không khí, trong khi độ ẩm tương đối vẫn ở mức gần hoặc thậm chí giảm một chút do không khí ấm hơn.[47]

Sự ấm lên được cho là sẽ thay đổi sự phân bố và kiểu mây. Về không gian bên dưới, các đám mây phát bức xạ hồng ngoại trở về bề mặt Trái Đất, và tăng hiệu ứng ấm; còn không gian phía trên, các đám mây phản xạ ánh sáng mặt trời và phát xạ bức xạ hồng ngoại vào không gian điều này làm tăng hiệu ứng lạnh. Mặc dù các hiệu ứng làm ấm hoặc làm lạnh phụ thuộc vào các yếu tố chi tiết như kiểu và độ cao của mây. Các yếu tố này rất ít được quan sát trước khi dữ liệu được thu thập bằng vệ tinh và rất khó để mô phỏng trong các mô hình khí hậu.[47]

Nhiệt độ khí quyển giảm theo chiều cao trong tầng bình lưu. Vì sự phát xạ bức xạ hồng ngoại biến đổi theo nhiệt độ, bức xạ sóng dài thoát vào không gian từ tầng khí quyển tương đối lạnh ở trên thì ít hơn phát xạ về hướng mặt đất từ tầng khí quyển bên dưới. Do đó, sự tăng mạnh các hiệu ứng nhà kính tùy thuộc vào tốc độ giảm nhiệt độ của tầng khí quyển theo độ cao. Lý thuyết và các mô hình khí hậu chỉ ra rằng hiện tượng ấm lên toàn cầu sẽ làm giảm tốc độ giảm nhiệt độ theo độ cao, tạo ra một phản ứng giảm nhiệt độ làm yếu đi hiệu ứng nhà kính. Việc đo đạc tốc độ biến đổi nhiệt độ theo độ cao là rất nhạy cảm đối với các sai số rất nhỏ, gây khó khăn cho việc thiết lập các mô hình chính xác.[48]

Băng tan tại hai cực làm nước biển dâng cao, dẫn đến nguy cơ mất đi vĩnh viễn của những đảo quốc có độ cao xấp xỉ mực nước biển và những vùng đất thấp ven biển. Khi băng tan, sẽ lộ ra các vùng đất hoặc nước. Các vùng này có độ phản xạ trung bình thấp hơn băng và sẽ hấp thụ nhiều bức xạ mặt trời hơn, làm ấm hơn và cứ thể chu trình này sẽ tiếp diễn.[49]

Sự ấm lên cũng làm kích hoạt việc giải phóng khí mêtan ở Bắc Cực.[50] Mêtan thoát ra từ băng vĩnh cửu như đầm lầy than đóng băng ở Siberi, và từ mêtan clathrat dưới đáy biển.[51]

Khả năng tách cacbon của các hệ sinh thái biển được cho là làm giảm sự ấm lên ở các đại dương. Do sự ấm lên làm giảm lượng dinh dưỡng trong tầng nước biển sâu trung bình (ở độ sâu khoảng 200 đến 1.000 m), do đó làm hạn chế sự phát triển của tảo cát làm thuận lợi cho các sinh vật phù du nhỏ hơn làm bơm sinh học cacbon nghèo hơn.[52]

Nước lạnh có thể hấp thụ nhiều CO2 hơn nước ấm. Khi nhiệt độ đại dương tăng thì một lượng CO2 sẽ được giải phóng. Đây là một trong những lý do mà tại sao CO2 trong khí quyển giảm xuống trong thời kỳ băng hà và cao hơn trong các giai đoạn ấm hơn. Khối lượng CO2 trong các đại dương lớn hơn trong khí quyển.

Sự giải phóng các khí có nguồn gốc sinh học có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng ấm lên toàn cầu nhưng những nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này chỉ mới ở giai đoạn khởi đầu. Một số khí dạng này như ôxít đinitơ (N2O) thoát ra từ than bùn ảnh hưởng trực tiếp đến khí hậu.[53] Các khí khác như đimetyl sulfua thoát ra từ đại dương gây những ảnh hưởng gián tiếp.[54]