De verklaring voor de correlatie tussen temperatuur en CO2 concentratie wordt ook wel het broeikas effect genoemd. Het CO2 molecuul heeft als eigenschap dat het straling absorbeert in het infrarode gebied. Dat is warmte straling die door de aarde wordt uitgestraald naar de ruimte maar die wordt geabsorbeerd en dus vastgehouden door CO2. Meer CO2 betekent dus extra opwarming van de aarde. Zonder broeikasgassen in de atmosfeer zou de de gemiddelde temperatuur op aarde -18 graden Celcius zijn in plaats van de +15 graden nu. Er zijn echter meerdere gassen in de atmosfeer die straling absorberen en dus warmte vasthouden; in volgorde van belangrijkheid geldt daarvoor het volgende lijstje: waterdamp, CO2, methaan, di-stikstof oxide en ozon.

Van belang voor het broeikas effect is ook de verblijftijd van broeikasgassen in de atmosfeer. De concentratie broeikasgas is het resultaat zijn van een dynamisch evenwicht tussen constante aanvoer en constante afvoer. (zoals bijvoorbeeld de koolstof cyclus) Hierbij zijn er grote verschillen tussen de verschillende gassen; daar waar methaan een hogere stralings absorptie heeft dan CO2 is de verblijftijd in de atmosfeer daarentegen korter (12 jaar vs. 30-90 jaar). Waterdamp heeft een verblijftijd van slechts 9 dagen.  

Het feit dat de CO2 concentratie het gevolg is van een dynamisch evenwicht betekent ook dat van de jaarlijkse CO2 uitstoot slechts een deel leidt tot een toename van de CO2 concentratie. Vanaf 2006 was deze 'airborne fraction' ongeveer 45%. 

Er is en wordt veel onderzoek gedaan naar relaties tussen temperatuur en CO2 concentraties in het verre verleden met behulp van analyse van ijskernen. Dit zullen we hier niet verder bespreken. Door klimaat sceptici wordt als argumentatie aangevoerd dat zowel temperatuur als CO2 concentraties in het verleden ook heel hoog zijn geweest. Daarnaast is er discussie omtrent oorzaak en gevolg van temperatuur en CO2 van historische datareeksen.