Dažniausios klimato problemos yra visuotinis atšilimas ir klimato kaita. Visuotinis atšilimas yra neįprastas Žemės įšilimas. Tai daugiausia sukelia šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas ir metanas, patekimas į Žemės atmosferą; tai sluoksnis, sudarytas iš dujų ir debesų. Klimato kaita reiškia klimato elementų pasikeitimą, kuris gali pakeisti kraštovaizdį, paveikti kasdienį bendruomenių gyvenimą ir sukelti pasėlių augimo pokyčius. Abi klimato problemos kyla dėl daugelio veiksnių, nors daugelį metų mokslininkų bendruomenė kaltina žmogaus veiklą.
XX amžiaus pradžioje ekspertai pastebėjo, kad Žemės atmosfera šiek tiek atšilo. Šį įvykį iš pradžių įvertino mokslo bendruomenė, manydama, kad jis apsaugojo žemę nuo naujo ledynmečio ledynų. Tačiau atšilimo greitis tapo toks nerimastingas, kad mokslininkai pradėjo tyrinėti, kaip šį reiškinį būtų galima sustabdyti arba sumažinti.
Natūralu, kad šiltnamio efektą sukeliančios dujos dalį saulės energijos sulaiko Žemės atmosferoje – reiškinys vadinamas šiltnamio efektu. Trumpųjų bangų spinduliuotė iš saulės gali prasiskverbti per šias dujas; tačiau ilgųjų bangų spinduliuotę, kuri turėtų būti perduodama atgal į kosmosą, šios dujos blokuoja, kur ji įstrigo Žemės atmosferoje. Kai į atmosferą patenka daugiau šiltnamio efektą sukeliančių dujų, sulaikoma daugiau radiacijos, todėl kyla klimato problemų, tokių kaip visuotinis atšilimas. Visuotinis atšilimas savo ruožtu sukelia klimato kaitą.
Prieš daugelį metų Žemė patyrė klimato pokyčius, kurie vyko ilgą laiką. Pavyzdžiui, per ledynmečius klimatas atvėso, bet praėjus milijonams metų vėl tapo šiltesnis. Tačiau nuo 18 amžiaus klimato pokyčiai vyko sparčiau; šie pokyčiai labai paveikė Žemę ir viską, kas joje yra, todėl mokslininkai buvo priversti atlikti išsamius tyrimus. Klimato kaitos priežastys tolimoje praeityje laikomos grynai natūraliomis, pavyzdžiui, ugnikalnių išsiveržimai ir meteorų smūgiai. Tačiau pastarųjų metų klimato kaita buvo susijusi su žmogaus veikla, pavyzdžiui, cheminių junginių, naudojamų tam tikroje žemės ūkio praktikoje, išsiskyrimu.
Fosilijos, dirvožemis, medžiai ir ledynų nuosėdos atskleidžia klimato tendencijas. Pavyzdžiui, medžių augimo žiedų modeliai liudija apie kritulių ir temperatūros pokyčius. Platus augimo žiedas susidaro esant šaltam klimatui arba esant pakankamai kritulių; šilto klimato metu arba kai iškrenta mažiau kritulių, susidaro siauras augimo žiedas. Šiandien tiesioginiai klimato problemų ir tendencijų įrodymai registruojami naudojant šiuolaikinius instrumentus, tokius kaip palydovai.