Ilmastoherkkyys voidaan laskea kokeellisesti vertaamalla menneitä lämpötilan vaihteluita sen ajan luonnollisiin pakotteisiin. Monia jaksoja maapallon menneisyydestä on tutkittu tällä tavalla ja niissä löydetään laaja yksimielisyys ilmastoherkkyydelle, joka on noin 3 °C.

Vaikka onkin olemassa yksittäisiä kasvavia jäätiköitä, selkeästi suurin osa jäätiköistä ympäri maailman on vetäytymässä. Itse asiassa globaali sulamisnopeus on kiihtynyt 1970-luvun puolivälin jälkeen.

On lisääntyvä määrä empiirisiä todisteita siitä, että lämpeneminen aiheuttaa voimakkaampia hurrikaaneja, rankempia sateita ja tulvia, lisääntynyttä metsäpaloalttiutta ja vaarallisia helleaaltoja.

Argon varhaiset arviot meren lämpösisällöstä näyttivät viilenevää paineantureihin liittyvien ongelmien takia. Viimeaikaiset meren lämpösisällön arviot, joissa nämä ongelmat on korjattu, näyttävät meren yläosien jatkuvaa lämpenemistä. Tämä saa vahvistuksen riippumattomista meren lämpösisällön arvioista ja myös perusteellisemmista lämpösisällön mittauksista, jotka ulottuvat 2000 metrin syvyyteen.

Vaikka on suoria tapoja, joilla hiilidioksidi on saaste (meren happamoituminen), sen pääasiallinen vaikutus on kasvihuonelämmitysefekti. Vaikka kasvihuoneilmiö on luonnollinen ilmiö, liiallisella lämpenemisellä on vakavia negatiivisia vaikutuksia maanviljelylle, terveydelle ja ympäristölle.

Suorista havainnoista näkyy, että hiilidioksidipitoisuus nousee nopeasti ihmisen toiminnan aiheuttamana. Satelliitti- ja maanpäällisissä mittauksissa nähdään vähemmän energiaa karkaavan avaruuteen hiilidioksidin absorptioaallonpituuksilla. Merien ja maanpinnan lämpötilamittauksissa näkyy, että planeetallemme kerääntyy jatkuvasti lämpöä. Tässä on havaintoihin perustuva todisteketju siitä, että ihmisten hiilidioksidipäästöt aiheuttavat ilmaston lämpenemistä.

Monet pakotteet vaikuttavat ilmastoon (esim. stratosfäärin aerosolit, Auringon vaihtelut). Kun kaikki pakotteet yhdistetään, ne antavat hyvän korrelaation globaalin lämpötilan kanssa koko 1900-luvulla sisältäen vuosisadan puolivälin viilenemisjakson. Viimeisen 35 vuoden aikana hallitseva pakote on kuitenkin ollut hiilidioksidi.

Kilimanjaron jäätikön kutistuminen on monimutkainen asia, eikä aiheudu pelkästään ilmaston lämpenemisestä. Se ei kuitenkaan tarkoita etteikö Maapallo lämpenisi. On paljon todisteita Maapallon keskimääräisen lämpötilan noususta viimeisen sadan vuoden aikana ja keskisten ja korkeiden leveysasteiden jäätiköiden vetäytyminen on yksi päätodisteista.

PDO on värähtely positiivisen ja negatiivisen arvon välillä, jossa ei näy pitkän aikavälin trendiä, mutta ilmaston lämpötilan trendi on pitkällä aikavälillä kasvava. Kun PDO viimeksi siirtyi viileään vaiheeseen, globaali lämpötila oli noin 0,4 ^oC viileämpi kuin tällä hetkellä. Pitkän aikavälin lämpenevä trendi osoittaa Maan ilmastojärjestelmän kokonaisenergian kasvavan epätasapainon johdosta. 

Meret lämpenevät joka puolella maailmaa. Maailman meriin keräytyy energiaa 4 x 10²¹ joulea vuodessa. Tämä vastaa sitä kun 127000 ydinvoimalaa (joiden keskimääräinen ulostuloteho on yksi gigawatti) syöttäisi kaiken energiansa suoraan maailman meriin. Tämä kertoo siitä, että planeetallamme vallitsee energian epätasapaino - maapallolle tulee enemmän energiaa kuin sitä säteilee takaisin avaruuteen.

Satelliittien painovoimamittaukset osoittavat, että Grönlanti menettää jäämassaa kiihtyvällä tahdilla ja kasvattaa osuuttaan merenpinnan nousuun.

Tulivuoritoiminnan väheneminen 1900-luvun alkupuolella saattoi aiheuttaa lämpenemistä. Tulivuoritoiminnasta ei kuitenkaan ole aiheutunut lämmittävää vaikutusta viimeisen 40 vuoden aikana, kun ilmasto on lämmennyt. Tulivuoritoiminta on jopa saattanut aiheuttaa pienen viilentävän vaikutuksen tuona aikana.