Einige Elemente im Klimasystem der Erde ändern sich bei steigender Temperatur nicht allmählich, sondern sprunghaft. Die Wissenschaft hat mehr als ein Dutzend solcher sogenannten Kipp-Elemente identifiziert: Bei bestimmten Temperaturschwellen (die von der Wissenschaft aber noch nicht genau quantifiziert werden können) „kippen“ sie, und eine Rückkehr zum vorherigen Zustand ist dann praktisch unmöglich.

Die Erwärmung betrifft die Seen in den Alpen und im Alpenvorland ebenso wie die Seen in den Mittelgebirgen oder im Norddeutschen Tiefland. Wegen des Temperaturanstiegs verändert sich die Artenvielfalt in den Seen, und es kommt häufiger zu Fischsterben und Algenblüten, die auch für badende Menschen eine Gesundheitsgefahr darstellen können.

Wärmere Sommer und längere Trockenphasen verstärken das Risiko von Waldbränden. In den vergangenen Jahrzehnten ist die Zahl der Tage mit hoher Waldbrandwarnstufe bereits gestiegen.

Im Vergleich zu den 1970er Jahren blühen zum Beispiel Apfelbäume heute rund 13 Tage zeitiger – doch weil es so früh im Jahr nachts häufig noch sehr kalt wird und die Blüten sehr frostempfindlich sind, haben Obstbauern häufiger schwere Frostschäden zu beklagen (wie es etwa im Frühjahr 2017 der Fall war). Die Trockenheit der vergangenen Jahre führte regional zu deutlichen Ernteeinbußen – zum Beispiel lagen im Dürrejahr 2018 die Erträge bei Getreide um 18 Prozent unter dem Mittel, am stärksten betroffen waren Schleswig-Holstein (-31 Prozent), Brandenburg (-27 Prozent) und Sachsen-Anhalt (-26 Prozent).

Bestimmte Typen von Extremwetter-Ereignissen haben weltweit deutlich zugenommen. Die bereits beobachtete Erwärmung hat in den meisten Gebieten an Land bereits zu einer erhöhten Häufigkeit, Intensität und Dauer von Hitzewellen geführt. In manchen Gegenden sind auch Dürren häufiger und heftiger geworden, etwa im Mittelmeerraum, in Westasien, vielen Teilen Südamerikas sowie eines Großteils Afrikas und Nordostasiens. Zudem wurden lokale Starkniederschläge weltweit noch intensiver.

Der Säuregrad von Flüssigkeiten wird durch den pH-Wert angegeben – je kleiner der pH-Wert, desto saurer die Flüssigkeit. Der pH-Wert des oberflächennahen Meerwassers liegt aktuell im weltweiten Mittel bei etwa 8,1 und ist gegenüber der vorindustriellen Zeit bereits um rund 0,1 gesunken. Diese Veränderung mag gering klingen, bedeutet jedoch (weil die pH-Skala logarithmisch ist) eine Zunahme des Säuregrades um 26 Prozent. Die Entwicklung bedroht unter anderem zahlreiche kalkbildende Meereslebewesen wie Korallen, Muscheln oder Krebse.

Einige Spurengase in der Lufthülle der Erde sorgen dafür, dass ein Teil der Energie, die über die Sonneneinstrahlung ankommt, nicht wieder vollständig in Form von Infrarotstrahlung abgestrahlt wird. Stattdessen verbleibt ein Teil als Wärmeenergie in der Atmosphäre. Die Gase werden „Treibhausgase“ genannt, ihre Wirkung „Treibhauseffekt“. Die wichtigsten Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O).

Eine Folge des Klimawandels in Deutschland ist die Zunahme von Starkregenereignissen. Andererseits nimmt vor allem im Sommer auch die Zahl aufeinanderfolgender Trockentage zu. Beide Vorgänge haben zur Folge, dass sich hydroklimatische Gefahren wie Dürren und Überschwemmungen erhöhen – ein Trend, der auch für die Zukunft prognostiziert wird. Laut Daten des Deutschen Wetterdienstes hat die Zahl von Tagen mit niedriger Bodenfeuchte seit 1961 bereits deutlich zugenommen; besonders betroffen von der zunehmenden Bodentrockenheit sind der Nordosten sowie das Rhein-Main-Gebiet.

Weltweit hat der Temperaturanstieg bereits zu einer Verschiebung von Klimazonen geführt und damit zu teils tiefgreifenden Veränderungen der Verbreitungsgebiete von Pflanzen und Tieren. Auch in Deutschland ist schon zu beobachten, dass sich verschiedene Pflanzen weiter ausbreiten, etwa das ursprünglich aus dem Mittelmeerraum stammende Affen-Knabenkraut nach Norden oder die schon länger im Westen Deutschlands heimische Stechpalme nach Norden und Osten. Dasselbe ist auch bei krankheitsübertragenden Insekten wie der Asiatischen Tigermücke zu beobachten. Der Klimawandel verändert zudem Entwicklungsphasen von und Wechselbeziehungen zwischen Organismen: Zugvögel kommen früher zurück. Bei Fischen wurde eine frühere Laichzeit nachgewiesen. Blühzeitpunkte von Pflanzen verschieben sich, sodass sie nicht mehr zum Lebenszyklus der sie bestäubenden Insekten passen.