Visuotinio atšilimo šiltnamio efektas atsiranda, kai dujų perteklius, vadinamas šiltnamio efektą sukeliančiomis dujomis, įstrigo žemutinėje Žemės atmosferoje ir neleidžia šilumai patekti į kosmosą. Šiltnamio efektą sukeliančios dujos leidžia patekti į šviesą, tačiau neleidžia šilumai išeiti, panašiai kaip šiltnamio konstrukcijoje. Kuo daugiau šiltnamio efektą sukeliančių dujų lieka atmosferoje, tuo daugiau šilumos lieka atmosferoje. Laikui bėgant dėl šio visuotinio atšilimo šiltnamio efekto planeta tampa šiltesnė.
Viena iš labiausiai paplitusių šiltnamio efektą sukeliančių dujų yra vandens garai, kartu su anglies dioksidu ir kitomis dujomis. Žemė turi natūralų šiltnamio efektą ir be jo planetos temperatūra būtų maždaug 0 laipsnių Farenheito (apie -18 laipsnių Celsijaus). Ši prielaida datuojama 1820 m., kai Josephas Fournier suprato, kad be atmosferos planeta būtų labai šaltesnė. 1890-aisiais švedų chemikas Svante Arrhehiusas suprato, kad žmonės gali padidinti šiltnamio efektą sukurdami anglies dioksidą. Visuotinis atšilimas atsiranda dėl papildomų šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimo.
Kai kurios šiltnamio efektą sukeliančios dujos susidaro dėl žmonių veiksmų. Deginant anglį, naftą ir gamtines dujas, į orą patenka anglies dioksido, o miškų naikinimas sustiprina jo padarinius. Kenksmingos šiltnamio efektą sukeliančios dujos taip pat patenka į atmosferą dėl cheminių medžiagų, esančių aerozoliuose, šaldytuvuose ir putų polistirolo puodeliuose. Pavojingų šiltnamio efektą sukeliančių dujų išsiskyrimas daro poveikį aplinkai, nes mažos dujų dalelės gali išlaikyti didelį šilumos kiekį. Nuo pramonės revoliucijos žmonės anglies dioksido kiekį atmosferoje padidino 30 procentų, o dideli klimato pokyčiai, kurie praeityje truko šimtmečius, įvyko tik per kelis dešimtmečius.
Kadangi dėl visuotinio atšilimo šiltnamio efekto Žemės atmosferoje uždaroma daugiau šilumos, kai kurie mokslininkai prognozuoja, kad vasaros ir žiemos visame pasaulyje gali tapti šiltesnės. Šiltesnė temperatūra gali turėti įtakos pasėliams, nes kai kurie maisto produktai ne taip gerai auga karštyje. Be to, dėl visuotinio atšilimo šiltnamio efekto gali ištirpti poliarinės dangos, o tai verčia kilti jūros lygį. Aukštesnis jūros lygis gali sukelti sumaištį planetoje dėl žemų pakrančių žemių potvynių.
Nors kai kurios vietovės bus užtvindytos, dėl visuotinio atšilimo šiltnamio efekto kitos Žemės dalys gali išdžiūti. Tai pakeis Žemės ekosistemas, pakeis vietas, kuriose gali egzistuoti augalai ir gyvūnai. Savo ruožtu tai gali sukelti tam tikrų gyvūnų ir augalų rūšių išnykimą.