Το ηλιακό φως θερμαίνει την επιφάνεια της Γης. Στη συνέχεια, η επιφάνεια ακτινοβολεί υπέρυθρη ενέργεια προς τα πάνω. Ορισμένα αέρια στην ατμόσφαιρα απορροφούν ένα μέρος αυτής της υπέρυθρης ακτινοβολίας και την επανεκπέμπουν προς όλες τις κατευθύνσεις, συμπεριλαμβανομένης και της επιστροφής προς το έδαφος. Η προκύπτουσα θέρμανση είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου.

Χωρίς αυτή τη φυσική διαδικασία, η μέση θερμοκρασία του πλανήτη θα ήταν πολύ κάτω από το μηδέν. Οι υδρατμοί, το διοξείδιο του άνθρακα, το μεθάνιο και άλλα αέρια συμβάλλουν όλα σε αυτό. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν αυξήσει τις συγκεντρώσεις αρκετών από αυτά τα αέρια, ενισχύοντας το φαινόμενο και αυξάνοντας τις παγκόσμιες θερμοκρασίες.

Το όνομα προέρχεται από την ανάλογη παγίδευση θερμότητας μέσα σε ένα γυάλινο θερμοκήπιο, αν και οι φυσικοί μηχανισμοί διαφέρουν λεπτομερώς. Τα κλιματικά μοντέλα προσομοιώνουν το φαινόμενο υπολογίζοντας την απορρόφηση και την εκπομπή ακτινοβολίας σε κάθε μήκος κύματος και ύψος.

Η κατανόηση του φαινομένου του θερμοκηπίου είναι θεμελιώδης για την εξήγηση τόσο του τρέχοντος κλίματος όσο και των πρόσφατων αλλαγών του.