Το φαινόμενο του θερμοκηπίου βασίζεται στην ακόλουθη αρχή:
Σε ένα τεχνικό θερμοκήπιο (σχήμα 1), το γυαλί είναι "αθέατο" για την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία η οποία το διαπερνά χωρίς απώλειες.
Η ακτινοβολία στη συνέχεια απορροφάται από τα φυτά που βρίσκονται μέσα στο θερμοκήπιο, τα μόρια τους αρχίζουν να κινούνται και η κίνηση αυτή προκαλεί συγκρούσεις μεταξύ των μορίων και παράγει θερμότητα. Η θερμότητα αυτή ακτινοβολείται στην υπέρυθρη περιοχή (Infrared) του φάσματος.
Το γυαλί όμως δεν είναι "αθέατο" για την εξερχόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα φυτά με αποτέλεσμα η ακτινοβολία αυτή παγιδεύεται μέσα στο θερμοκήπιο και θερμαίνει τα φυτά επιτρέποντας την ανάπτυξη τους ακόμη και κατά την διάρκεια του χειμώνα.
Στην ατμόσφαιρα συμβαίνει κάτι ανάλογο. Το άζωτο (N2) και το οξυγόνο (Ο2), που καλύπτουν το 97% περίπου της ατμόσφαιρας, έχουν μικρή επίδραση στην ενεργειακή ισορροπία της Γης.
Η εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία και η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τη γη προς το διάστημα δεν επηρεάζεται από τα δύο αυτά αέρια.
Αν το άζωτο και το οξυγόνο ήταν τα μόνα συστατικά της ατμόσφαιρας τότε το κλίμα της Γης θα ήταν πιο δριμύ, και η θερμοκρασία του αέρα κοντά στην επιφάνεια της γης υπολογίζεται ότι θα ήταν κατά 30 περίπου βαθμούς C ψυχρότερη από ότι είναι τώρα.
Ορισμένα όμως από τα δευτερεύοντα αέρια της ατμόσφαιρας αλλάζουν αυτήν την κατάσταση καθότι έχουν μια κοινή ιδιότητα: επιτρέπουν στις ακτίνες του ήλιου να διαπερνούν την ατμόσφαιρα μέχρι την επιφάνεια της γης, αλλά απορροφούν και επανεκπέμπουν προς τη γη, ένα μέρος από την υπέρυθρη ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται από την επιφάνεια της γης.
Το φυσικό αυτό φαινόμενο το οποίο η επιστήμη έχει παρατηρήσει και ερμηνεύσει πριν από πολλές δεκαετίες ονομάζεται φαινόμενο του θερμοκηπίου (Greenhouse effect, σχήμα 2).
Τα αέρια των οποίων ο ρόλος μοιάζει με αυτόν της γυάλινης στέγης του τεχνικού θερμοκηπίου ονομάζονται αέρια του θερμοκηπίου (greenhouse gases) και είναι αναπόσπαστα συστατικά της ατμόσφαιρας για εκατομμύρια χρόνια.
Τα κυριότερα αέρια του θερμοκηπίου είναι οι υδρατμοί (H2O), το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το μεθάνιο (CH4), το πρωτοξείδιο του αζώτου (N2O) και το τροποσφαιρικό όζον (O3).