אור השמש עובר דרך האוויר ומחמם את הקרקע והים. כדור הארץ החם פולט חזרה חום כקרינה בלתי נראית (תת־אדומה). גזי חממה — בעיקר אדי מים, פחמן דו־חמצני ומתאן — בולעים חלק מהקרינה הזו ומחזירים אותה גם כלפי מטה. בלי השמיכה הזו הטמפרטורה הממוצעת הייתה כ־18 מעלות מתחת לאפס, במקום כ־15 מעלות היום.
כשמוסיפים לאוויר עוד ועוד גזי חממה — בעיקר משריפת פחם, נפט וגז, וגם מכריתת יערות וגידול בקר — השמיכה מתעבה וכדור הארץ מתחמם. זו הסיבה העיקרית להתחממות שמדענים מודדים מאז המאה ה־19. השם בא מחממה של צמחים, שבה הזכוכית שומרת את החום בפנים, אף שהמנגנון שם קצת שונה.

