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Les scientifiques étudient le réchauffement climatique avec des modèles informatisés du climat. Ces modèles reposent sur l’application des principes physiques de la dynamique des fluides, des transferts de chaleur et d'autres processus. Des simplifications sont nécessaires car la puissance des ordinateurs est limitée. Ces modèles permettent de prédire par le calcul l'effet de l'augmentation future des concentrations des gaz à effet de serre sur le climat. À scénarios d'évolution de concentrations identiques, les modèles donnent pourtant des prévisions de température différentes : la sensibilité du climat à l'augmentation des gaz à effet de serre est très variable. Les modèles retenus par le GIEC prévoient un réchauffement de 1 à 6 °C entre 1990 et 2100. Des modèles ont également été développés pour étudier les causes des modifications récentes du climat en comparant les modifications observées à celles prédites par les modèles en prenant en compte différentes causes humaines ou naturelles. Les modèles actuels reconstituent avec une assez bonne précision les variations de température globales observées lors du dernier siècle mais ils ne simulent pas tous les aspects du climat. Ils suggèrent que, depuis 1975 au moins, le réchauffement est principalement causé par les émissions humaines de gaz à effet de serre. Un des problèmes principaux dans les modèles actuels est la représentation des nuages, qui sont de taille beaucoup plus petite que les mailles du modèle. Les autres problèmes sont liés aux effets indirects et à la variabilité solaire. Suivant leur complexité, les modèles prennent en compte l'atmosphère, les océans, les cycles du carbone, du soufre et la chimie de l'atmosphère (y compris ce qui concerne la couche d'ozone). Les derniers modèles en cours d'élaboration, qui vont bientôt permettre d'obtenir des prédictions régionales plus fiables, sont des modèles couplés atmosphère-océan.
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