Kuldioxid er en stabil forbindelse af kulstof og oxygen. Det har været til stede som en gas eller opløst i vand i tusinder af år i luften, i jorden og også i overflade- og underjordiske farvande. Kuldioxiden i luften muliggør ikke kun det moderate klima på jordens overflade, men også vækst af planter. Ved fotosyntese i planter nedbrydes kuldioxid til kulstof og ilt ved hjælp af sollys og vand. Ilten frigives, og kulstofatomerne kombineres med vand og danner glukose. Denne proces reducerer ikke kun luftens kuldioxidindhold, men beriger den også med ilt. Derimod reducerer menneskers og dyrs vejrtrækning luftens iltindhold og til gengæld frigives kuldioxid til luften. Kuldioxid frigives også under råd- og gæringsprocesser og vulkanudbrud. Derudover producerer forbrændings- og produktionsprocesser enorme mængder kuldioxid, som frigives til atmosfæren. Baseret på undersøgelsen af luftbobler fanget i glacialis, antager forskerne, at kuldioxidindholdet i atmosfæren var omtrent konstant på omkring 0,28 promille i de 10.000 år før industrialiseringens start. Siden 1950 har der været løbende målinger. I årtier har specielle CO₂-dataloggere registreret kuldioxidkoncentrationen over lange tidsrum på verdensplan, så udsving kan observeres og evalueres. Ifølge Federal Environment Agency var den årlige middelværdi af CO₂ dataloggerne fra de to tyske målestationer på Zugspitze og i det sydlige Schwarzwald 0,41 promille i 2019. Dette er en gennemsnitsværdi, hvorfra det ikke kan konkluderes, at CO₂-værdierne ikke kan være lavere eller højere på bestemte tidspunkter og på bestemte steder. Til mange applikationer er det dog fuldstændig tilstrækkeligt, hvis måleområdet for en CO₂ datalogger starter ved 0,40 promille, altså ved 400 ppm.

Jordens atmosfære bliver i stigende grad beriget med gasser gennem naturlige, men endnu mere gennem menneskepåvirkede processer , som på grund af deres molekylære struktur hæmmer udsendelsen af langbølget infrarød stråling ud i rummet. Disse gasser bidrager således til den konstante stigning i den gennemsnitlige årlige temperatur på jordens overflade. Dette får gletschere til at smelte, havtemperaturer til at stige, og mere vanddamp dannes, hvilket fanger endnu mere højenergistråling i atmosfæren. Ud over kuldioxid og vanddamp er de gasser, hvis frigivelse har en indvirkning på klimaet, metan, ozon, dinitrogenoxid og fluorerede kulbrinter. Effekten af disse gasser i atmosfæren svarer til et drivhus, hvor varme fra solen opvarmer jorden og luften under et glas eller folie dækker mere end det udækkede område. Derfor kaldes effekten også for drivhuseffekten og de gasser, der forårsager den, kaldes drivhusgasser. Da disse gasser har forskellige effekter på klimaet, er effekten sammenlignet med kuldioxid angivet som en CO₂-ækvivalent eller Global Warming Potential (GWP-værdi).

Kl. verdensklimatopmødet i Paris den 12. december 2015 blev 195 lande enige om en internationalt bindende aftale om klimabeskyttelse, der omfatter forpligtelser for alle underskrivere. Den fastlægger ophøret af brugen af fossile brændstoffer i midten af århundredet og støtte fra regioner, der er særligt berørt af klimaændringer. Målet med aftalen er at begrænse den globale opvarmning til et godt stykke under to grader. For at opnå dette definerer staterne deres egne mål og iværksætter tiltag. EU ønsker at være klimaneutral i 2050, Kina i 2060. Efter at have forladt det i 2020 vil USA forhåbentlig igen tilslutte sig Paris-aftalen 2021 under et nyt formandskab og igangsætte passende tiltag for at implementere de ambitiøse mål. Fra 2021 vil Forbundsrepublikken Tyskland indføre CO₂-priser for opvarmning og transport for at øge incitamentet til at spare energi og skifte til mindre klimabelastende energier.