Aucun des phénomènes jouant sur le climat n'a d'effet instantané. L'inertie thermique des océans (c'est à dire les variations de températures: le temps qu'ils mettent à se réchauffer ou à se refroidir) plus le caractère indirect de beaucoup de réactions du système font que le climat ne parvient pas à l'équilibre immédiat. Des études montrent que même si les niveaux actuels de gaz à effet de serre étaient stabilisés, une augmentation de température significative se poursuivrait pendant de nombreuses années. L'augmentation de la concentration des gaz à effets de serre conduit à une élévation de la température moyenne. Cette élévation de température a elle-même divers effets naturels qui peuvent finalement conduire à augmenter ou diminuer la température initiale.
- L'effet le plus important est lié à la vapeur d'eau. Lorsque la concentration en CO2 augmente, la température augmente, et l'évaporation augmente également. Or la vapeur d'eau est elle-même un gaz qui contribue à hauteur de 55% à l'effet de serre ; donc si celui-ci augmente, la température augmente, l'évaporation augmente encore... un nouvel équilibre est atteint, avec une nouvelle température moyenne nettement plus élevée que celle qui aurait été atteinte par le seul effet du CO2.
- Les nuages pourraient également avoir un effet. Vu d'en dessous, ils reflètent des rayons infrarouges sur la surface terrestre et contribuent donc à l'augmentation de température. Vu du dessus, ils reflètent une partie de la lumière du soleil et émettent des infrarouges vers l'espace. On ne sait pas encore bien si le bilan de ces deux phénomènes est un réchauffement (le plus probable) ou un refroidissement.
- Une autre régulation est liée à l'albédo* (pouvoir réflecteur) de la glace. Lorsque la température augmente, la glace polaire fond et est remplacée par de l'eau ou de la terre. L'eau et la terre sont moins réfléchissantes que la glace et elles absorbent plus de radiations solaires, ce qui provoque plus de réchauffement et donc plus de fonte et ainsi de suite. Le rejet de méthane à partir de lits de glaces océaniques pourrait également amplifier ce phénomène.
- Les variations solaires sont une autre cause naturelle du réchauffement climatique. L'énergie irradiée par le soleil varie de manière cyclique (ce qui constitue les différentes saisons) et ces variations pourraient, à certaines périodes, contribuer au réchauffement climatique. La plupart des études concluent cependant que cette éventuelle contribution, tout comme celle des volcans, est négligeable par rapport à celle des gaz à effets de serre émis par l'homme.
- Des phénomènes secondaires du réchauffement, comme la libération de 70 000 millions de tonnes de méthane qui est un gaz à effet de serre après la fonte du pergélisol* en Sibérie pourrait contribuer à augmenter l'effet de serre. À l'inverse, le piégeage* de tout ou d'une partie du carbone atmosphérique par des phénomènes naturels (dits « puits de carbone ») ou par l'homme pourrait diminuer l'impact des émissions.
