大氣通過對輻射的選擇吸收而防止地表熱能耗散的作用，是大氣對於地球保暖作用的俗稱。在晴空地區，大部分太陽短波輻射可以透過大氣而被地表所吸收，使地面增溫。由於地表溫度低，地表輻射幾乎全部在紅外波段。大氣中的水汽和二氧化碳等成分能吸收大部分地表紅外輻射，使大氣變暖。大氣本身也放出紅外輻射，其中一部分向上傳播，經大氣的吸收和再發射，逐步傳向外空；另一部分向下傳播而為地表所吸收。所以地表除向外輻射能量外，還接收到相當一部分大氣向下傳播的紅外輻射，能量收支計算表明，這這樣大大地減少瞭地表的凈向上輻射。如果不存在大氣，地球處於輻射平衡狀態時，其等效黑體溫度可達255K，而實際的地表平均溫度比255K高出數十度。大氣的這種使地表溫度升高，使地球維持較高溫度下的熱平衡的作用，和玻璃溫室有相似之處，所以稱為溫室效應。但大氣的保暖作用並不完全和玻璃溫室的作用相同，玻璃還有隔絕空氣流動，阻止室內外對流熱交換的作用，因而有人認為用大氣效應這個名詞更為合適。
起溫室效應的主要因子有大氣中的水汽、二氧化碳和雲，其中最主要的是雲。所以在多雲和高濕的熱帶地區，溫室效應較強，而在幹燥的極地和沙漠地區，溫室效應則較弱。大氣中能產生溫室效應的氣體不僅有CO2和水汽，還有一些微量氣體如甲烷(CH4)，氮氧化物(NOx)，氯氟碳化物(CFCs)等，人們將這些能產生溫室效應的氣體稱為溫室氣體。由於人類活動而造成溫室氣體含量增加，導致全球變暖的現象已引起人們普遍關註。