二氧化碳雖然早已不是地球大氣的主要成份，但是它的含量仍是不斷的變化，而且與氣候變遷可能有極大的關係。科學家從化石中碳同位素的含量，推測地球古代大氣中二氧化碳的含量。
圖3-6是過去5億多年的二氧化碳含量的變化，圖中R=1相當於現今大氣二氧化碳含量。在寒武紀初期( 5億多年前 )，二氧化碳含量是現今含量的15至20倍，之後持續下降，直到3億年前，達到與現今含量相當的程度。1億～2億萬年前含量則為目前的3～5倍，巧的是，這段時期( 侏儸紀 )氣候溫暖，恐龍是地球上最優勢的生物。圖3-6中的數值為推估值，前蘇聯科學家在南極Vostok取得的冰蕊則含有實際的古代大氣樣本，記錄了過去五十萬年的溫室氣體含量變化。
圖3-7是由該冰蕊測得的過去22萬年之間，二氧化碳、甲烷含量以及溫度估計值的變化。我們發現三者的長期變化相當一致，較短期變化則有一些出入。譬如，13至14萬年前，溫度比現代氣候高出1-2℃，二氧化碳及甲烷含量也是最高。溫室氣體含量高，溫室效應強，氣溫自然升高。但是，也有研究指出，在溫度較高的環境下，土壤中生質(biomass)的腐敗速率較快，會有較多的二氧化碳從地表釋出進入大氣；而且，如果沼澤地面積增加，地表釋出的甲烷量也會增加。顯然，單從圖3-7無法判斷氣溫與溫室氣體含量之間的因果關係，但是兩者變化的一致性則是無庸置疑。
由上述的歷史資料，我們知道二氧化碳含量的自然變化的幅度相當的大(可能與地殼變動，火山爆發頻率有關)。自從歐洲工業革命以來，人類的工業活動大量使用化石燃料(fossil fuel，如煤、石油)，製造了大量的二氧化碳，並將之排放至大氣之中。在工業革命之前，大氣中二氧化碳含量一直維持在約280ppmv(亦即，一百萬單位體積氣體中含有280單位體積的二氧化碳，圖3-8)。工業革命之後，二氧化碳含量迅速增加，1950年代之後，增加速率更快，直到1995年的358ppmv。
從18世紀後葉至1994年，二氧化碳含量增加了30%。這些增加量主要是來自燃燒化石燃料、水泥製造及土地利用。煤及石油中的碳在燃燒過程中被氧化成二氧化碳；石灰岩被製成水泥的過程中也釋出二氧化碳；土地的開發利用不但減少了植物吸收二氧化碳的量，也加速殘枝敗葉的腐壞而產生二氧化碳。我們現在所使用的煤大多是石炭紀( 三億多年前 )的樹木因某種原因被掩埋在地層之中，逐漸形成的化石。三億多年前植物吸收太陽輻射所遺留下來的能量，近代人類卻在一、二百年之間就將之消耗殆盡。
除了二氧化碳，甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物( CFC )等溫室氣體皆因人口的增加、經濟活動日趨活絡，而迅速增加圖3-9(。比如，從工業革命之前到1994年，甲烷含量由700ppbv(part per billion by volume，十億分之一)增加到1721ppbv；氧化亞氮由275ppbv增加到311ppbv。CFC為人造化學物質在1950年代才大量出現，而後迅速增加。最近由於蒙特婁公約禁用氟氯碳化物，其含量在1990年代已不再增加。
