Quand les gaz à effet de serre sont émis dans l'atmosphère, ils subissent des transformations chimiques ou sont absorbés dans des puits. Ces processus déterminent la durée de vie d'un gaz dans l'atmosphère, qui est définie comme le temps nécessaire à une certaine quantité de ce gaz pour décroître d'un facteur e (environ 2,71). À titre d'exemple, les aérosols ont une durée de vie de l'ordre de la semaine, le méthane d'environ 10 ans et le protoxyde d'azote d'environ 100 ans. Le dioxyde de carbone suit de nombreux processus, d'échelles de temps différentes : pour une émission instantanée de 1000 GtC (gigatonnes de carbone), à peu près la moitié disparaît de l'atmosphère en quelques dizaines d'années et entre 15 % et 40 % sont encore dans l'atmosphère après un millier d'années. Il n'est donc pas réaliste, à l'échelle de nos sociétés, d'envisager un retour aux concentrations de CO2 pré-industrielles.

Si les concentrations des gaz à effet de serre étaient maintenues constantes au niveau actuel, la surface de la Terre se réchaufferait d'environ 0,6 °C pendant le XXIe siècle, par rapport à l'année 2000. Puis, avec l'inertie du système climatique, le climat serait stabilisé pour de nombreux siècles, même si on éliminait du CO2 de l'atmosphère. 

Par ailleurs, certaines composantes du climat vont continuer à changer même si les températures sont stabilisées. Les processus reliés aux changements de couverture végétale ou de glace, au réchauffement de l'océan profond et la montée des eaux qui lui est associée ont des échelles temporelles longues et pourront rester perturbées plusieurs centaines ou milliers d'années après que la température a atteint un nouvel équilibre.