Učinek tople grede globalnega segrevanja se pojavi, ko se presežni plini, znani kot toplogredni plini, ujamejo v nižje Zemljine atmosfere in preprečijo, da bi toplota uhajala v vesolje. Toplogredni plini omogočajo vstop svetlobe, vendar preprečujejo uhajanje toplote, podobno kot pri zasnovi rastlinjaka. Več toplogrednih plinov ostane v ozračju, več toplote ostane v ozračju. Sčasoma ta učinek tople grede globalnega segrevanja naredi planet toplejši.
Eden najbolj razširjenih toplogrednih plinov je vodna para, skupaj z ogljikovim dioksidom in drugimi plini v sledovih. Zemlja ima naravni učinek tople grede in brez njega bi bila temperatura planeta približno 0 stopinj Fahrenheita (približno -18 stopinj Celzija). Ta premisa sega v dvajseta leta 1820. stoletja, ko je Joseph Fournier ugotovil, da bi bil planet izjemno hladnejši brez atmosfere. V 1890-ih je švedski kemik Svante Arrhehius spoznal, da lahko ljudje povečajo učinek tople grede z ustvarjanjem ogljikovega dioksida. Globalno segrevanje je nato posledica izpusta dodatnih toplogrednih plinov.
Nekateri toplogredni plini nastajajo kot posledica delovanja ljudi. Zgorevanje premoga, nafte in zemeljskega plina pošilja ogljikov dioksid v zrak, krčenje gozdov pa še poslabša njegove učinke. V ozračje se sproščajo tudi škodljivi toplogredni plini kot posledica kemikalij, ki jih najdemo v aerosolih, hladilnikih in skodelicah iz stiropora. Sproščanje nevarnih toplogrednih plinov vpliva na okolje, saj lahko majhni koščki plinov zadržijo veliko količino toplote. Od industrijske revolucije so ljudje dvignili raven ogljikovega dioksida v ozračju za 30 odstotkov, velike podnebne spremembe, ki so v preteklosti trajale stoletja, pa so se zgodile v obdobju le nekaj desetletij.
Ker se zaradi učinka tople grede globalnega segrevanja v Zemljino ozračje zaklene več toplote, nekateri znanstveniki napovedujejo, da lahko poletja in zime po vsem svetu postanejo toplejša. Višje temperature lahko vplivajo na pridelke, saj nekatera živila v vročini ne rastejo tako dobro. Poleg tega lahko učinek tople grede globalnega segrevanja povzroči taljenje polarnih kap, kar povzroči dvig morske gladine. Višja gladina morja lahko povzroči opustošenje na planetu zaradi poplav nizko ležečih obalnih zemljišč.
Medtem ko bodo nekatera območja poplavljena, lahko učinek tople grede globalnega segrevanja povzroči tudi izsušitev drugih delov Zemlje. To bo spremenilo zemeljske ekosisteme in spremenilo območja, na katerih lahko obstajajo rastline in živali. To pa lahko privede do propada nekaterih živalskih in rastlinskih vrst.