La Terre reçoit de l'énergie, elle en émet aussi. Le schéma ci-dessus permet de voir les grands échanges d'énergie entre le soleil, l'atmosphère et la surface terrestre. Une partie de l'énergie émise par la terre (sous forme de rayonnement infrarouge) s'échappe directement dans l'espace mais une autre (la plus importante, 324 watts/m²) est renvoyée vers le sol à cause de la présence de la vapeur d'eau et de certains gaz (dits gaz à effet de serre) qui agissent comme une vitre dans une serre.

Sans l'apport énergétique de l'effet de serre, on estime que la Terre  émettrait non plus 390 watts/m², ce qui correspond à une température moyenne de +15°C, mais seulement 235 watts/m². Ce qui correspond à une température moyenne d'environ -19°C!

L'effet de serre est donc un phénomène avant tout naturel, c'est-à-dire qu'il est pour une très large part indépendant de l'activité humaine. L'essentiel de l'effet de serre naturel vient de l'action de la vapeur d'eau (près des deux tiers du piégeage de la chaleur) et du CO2 (près d'un tiers) en provenance de la végétation, des sols et des océans. Les gaz à effet de serre d'origine anthropique amplifient l’effet de serre naturel.

Seule une petite partie des constituants de l'atmosphère absorbe le rayonnement infrarouge venant de la surface terrestre et entre en ligne de compte dans le phénomène de l'effet de serre. Ces constituants sont appelés gaz à effet de serre (GES). En effet, la composition de l'atmosphère sèche (c’est-à-dire sans vapeur d’eau) est la suivante: Azote 78%, oxygène 21%, divers gaz 0,95% et gaz à effet de serre seulement 0,05%. Pour ces derniers, la composition est la suivante (hors vapeur d'eau): dioxyde de carbone = CO2 (99,45%), méthane = CH4 (0,46%), protoxyde d'azote = N2O (0,083%), ozone = O3 (0,00026 %), divers gaz fluorés.