太陽是地球氣候的根本能源，它在電磁波譜波長很短的譜區——主要是可見光區或近可見光區（如紫外譜區）——發射能量。到達地球大氣頂層的太陽能量中，大約三分之一被直接反射回太空。其余三分之二被地球表面以及大氣（所占份額很小）所吸收。

為了平衡所吸收的入射能量，平均而言，地球必須也向太空發射同樣數量的能量。地球的溫度比太陽要低得多，因此，地球是在電磁波譜波長長得多的譜區——主要是紅外譜區——發射輻射。陸地和海洋所發射的大部分熱輻射被大氣圈（包括云，以及二氧化碳等痕量氣體）所吸收，并重新將其發射回地球，這種熱輻射使其下大氣層和地面加熱。這稱做溫室效應。但是僅從熱輻射輸送過程來理解溫室效應還不夠，還必須考慮大氣溫度垂直分布的作用。大氣中的水汽和溫室氣體吸收了地表發射的長波熱輻射，并同時以自身的溫度向外空發射熱輻射。在大氣高層，由于溫度比地表低得多，這些氣體發射的熱輻射量比較小。這些高層的溫室氣體吸收了大量或全部（看作黑體）由地表發射的長波輻射，但其向外發射的長波輻射卻相對少得多。

因此這些水汽和溫室氣體的存在使大氣損失于外空的熱輻射大大減少。這些溫室氣體的作用猶如覆蓋在地表上的一層棉被，棉被的外表比里表要冷，使地表熱輻射不至于無阻擋地射向外空；從而使地表比沒有這些溫室氣體時更為溫暖。由上可見，地球上如果沒有溫度隨高度減小的溫度垂直分布，就不會有溫室效應。溫室效應之所以得名是由于上述輻射過程類似于玻璃溫室的輻射過程。