温室效应是地球大气层的一个重要功能，它就像是具有“保温”作用的“棉被”或温室大棚，可保护地球，使之保持温暖。如果地球没有大气层或温室效应地球表面的平均温度是摄氏-18度，而非现在的摄氏15度。
大气层和温室效应的另一个功能是可以稳定地球表面的温度，使我们能居住在一个相对稳定的温度环境里。如果没有大气层或温室效应，昼夜的温差会很大。例如，月球表面由于没有大气层，白天在阳光垂直照射的地方温度高达127摄氏度，而夜晚温度则可降到零下183摄氏度。
而地球的情况则完全不同：白天，太阳光照射到地球上，大约一半的太阳辐射会被地球表面吸收并使之增温，其它则被反射回宇宙。夜晚，地球表面则以红外线的方式向宇宙散发白天吸收的热量，其中也有一部分会被大气层吸收，使气温不至于降得过低。
总体上来看，太阳辐射照射到地球以后，除极小一部分被地球吸收转化为非热能以外，大部分能量会被反射回太空。下图中列出了在一年中地球吸收和反射太阳辐射能量的详细过程和量值，可以看出地球吸收的能量与辐射的能量相等：
235 + 107 = 342 单位：每平米瓦 (W/m-2)
如果温室效应的强度适当，地球吸收的能量与辐射的能量相等，则地球表面的平均温度就会保持恒定，反之，地球表面的平均温度就会有变化。如果温室效应的强度过大，地球吸收的能量大于辐射的能量，则地球表面的平均温度就会增加，导致全球暖化。
在潮湿的赤道地区，空气中的水汽含量非常高，以致于温室效应已经很强，因此增加少量的CO2或水汽对射向地表的红外辐射量只有很小的直接影响。但是在冷而干的极地地区，增加很少量的CO2或水汽会产生大得多的效应。同样，冷而干的大气上层中增加少量水汽所产生的影响比在近地表增加同量水汽的影响要大得多。