Dünya’nın ortalama yüzey sıcaklığı 15°C. Ancak yıl içinde Dünya’nın farklı noktalarında çok daha düşük ve yüksek sıcaklıklara ulaşılıyor. Örneğin bugüne kadar Dünya üzerinde ulaşılan en düşük sıcaklık Antarktika’nın doğusunda -89,2°C olarak ölçülürken, en yüksek sıcaklık 2005 yılında İran’daki Lut Çölü’nde 70,7°C olarak kaydedildi.

Güneş’e uygun uzaklıkta olması Dünya’nın yaşanabilir bir gezegen olmasını sağlayan en önemli etken. Ancak atmosferin Dünya’nın sıcaklığı üzerindeki düzenleyici etkisi insanlar için hayati öneme sahip. Eğer atmosfer olmasaydı Dünya’nın sıcaklığında, sıcaklığı gündüz 100°C’yi aşarken geceleri -180°C’ye düşen Ay’da olduğu gibi, gün içinde büyük dalgalanmalar ortaya çıkabilirdi.

Dünya’nın yüzey sıcaklığının sabit kalabilmesi için yeryüzüne ulaşan ve yeryüzünden yayılan enerji miktarları eşit olmalıdır. Dünya’nın enerji dengesinin sağlanmasında atmosfer anahtar role sahiptir.

Güneş’ten gelen enerjinin %29’u atmosfer tarafından geri yansıtılırken %23’ü atmosferdeki moleküller ve parçacıklar tarafından soğurulur. Güneş ışınlarının geri kalan kısmı ise yeryüzüne ulaşır. Dünya, yüzeyinden yayılan ısıyla yani termal radyasyonla enerji kaybeder. Ancak yerin yüzeyinden kızılötesi dalga boyunda yayılan enerji miktarı, Güneş’ten Dünya’ya ulaşan enerji miktarından fazladır. Atmosferdeki sera gazları olarak isimlendirilen bazı moleküller yerin yüzeyinden yayılan kızılötesi dalga boyundaki ışınları belirli oranda soğurarak Dünya’nın sıcaklığının sabit kalmasına yardımcı olur. Bu süreç doğal sera gazı etkisi olarak isimlendirilir.

Atmosfer olmasaydı Dünya’nın ortalama sıcaklığının, şu anki değerden yaklaşık 30°C daha düşük olacağı tahmin ediliyor.​