地球温暖化は、気温や水温を変化させ、海水面上昇、降水量（あるいは降雪量）の変化やそのパターン変化を引き起こすと考えられている。洪水や旱魃、酷暑やハリケーンなどの激しい異常気象を増加・増強させる可能性がある。生物種の大規模な絶滅を引き起こす可能性も指摘されている。
大局的には地球温暖化は地球全体の気候や生態系に大きく影響すると予測されている。ただし、個々の特定の現象を温暖化と直接結びつけるのは現在のところ非常に難しい。 こうした自然環境の変化は人間の社会にも大きな影響を及ぼすと考えられている。真水資源の枯渇、農業・漁業などへの影響を通じた食料問題の深刻化、生物相の変化による影響などが懸念されている。
2-3°Cを超える平均気温の上昇が起きると、全ての地域で利益が減少またはコストが増大する可能性がかなり高いと予測されている（AR4）。温暖化を放置した場合、今世紀末に5-6°Cの温暖化が発生し、「世界がGDPの約20%に相当する損失を被るリスクがある」とされる（スターン報告）。
日本における影響の予測も進められており、現時点で洪水被害の増大や農業・漁業、建造物への深刻な影響が予測されている。
