全球平均温度是结合全世界所有观测站每天测量的地面温度和各个海洋上航船测得的不同海域的海面温度估算得出的。过去157年的仪器观测表明，地球表面的温度在全球范围内都有所升高，但是存在明显的区域差异。就全球平均而言，过去100年（1906年~2005年）的增暖发生在两个时段，20世纪10年代至40年代和20世纪70年代至今，而后一阶段的增暖更强。过去25年中，变暖的速率加快了，12个最暖年份中有11个发生在刚刚过去的12年中。

陆地的增暖通常高于海洋，特别是20世纪70年代以来表现得尤为明显。同时，对于20世纪50年代以来的全球观测来说，所有可获得的最新资料序列都表明，对流层的增温略大于地表面，而平流层自1979年以来明显变冷，证明了温室气体浓度增加能够使对流层变暖而使平流层变冷，臭氧耗减也对平流层的变冷有重要影响。

最近，人们已经开始分析世界上许多地区日温度极值的长期变化。特别是从20世纪50年代以来，观测记录表明，非常寒冷的昼、夜记录都减少了，而极端炎热的白天和温暖的夜晚的记录增加了。在两个半球的大多数中、高纬地区，无霜期变长了。在北半球，主要表现为春季的提前到来。

与观测的地表温度上升相一致，河流和湖泊的封冻期变短了。同时，20世纪冰川的质量和范围几乎在全世界都是减少的；最近格陵兰冰盖的消融已经非常明显；北冰洋海冰的厚度和范围在所有季节里都呈下降趋势，春夏季节尤甚；海平面因海水的热膨胀和陆冰的融化而不断升高。