Atmosféra je tvořena směsicí plynů, která se nazývá vzduch. Prakticky 99,9 % objemu suché atmosféry tvoří dusík N2 - 78 %, kyslík O2 - 21 % a argon Ar - 0,9 %. Koncentrace oxidu uhličitého (CO2) je významně nižší (0,042 %) a zbylé množství připadá na plyny často stopového výskytu. Složení suché atmosféry se přibližně do 90–100 km nad zemským povrchem až na výjimky (např. koncentrace ozonu v ozonosféře ve výšce 15–35 km) nemění. Kromě součástí vzduchu nacházíme v atmosféře tzv. příměsi tuhého (např. aerosoly jako je prach, pyl), kapalného (aerosoly jako je voda, slabé kyseliny) či plynného skupenství (oxidy síry, dusíku, tisíce chemických látek syntetického původu).
Nejdůležitějším plynem zachycujícím dlouhovlnné záření vyzařované zemským povrchem je vodní pára, která má na přirozeném skleníkovém efektu podíl 36–70 % (bez započtení vlivu oblačnosti), následuje oxid uhličitý (9–26 %), metan (4–9 %), ozon (3–7 %) a oxid dusný.
Vodní pára je součástí koloběhu vody a do atmosféry se dostává vypařováním ze zemského povrchu. Lidská činnost vodní páru do atmosféry přidává minimálně. Nicméně teplejší vzduch může absorbovat mnohem více vodní páry, což při současném trendu zvyšování teploty vzduchu vede k vyššímu množství výparu, resp. obsahu vodní páry v atmosféře.
Dlouhovlnné záření pohlcují a vyzařují i kapičky a krystalky vody v oblacích, ale krátkovlnné sluneční záření odrážejí. Různé druhy oblačnosti tedy mohou ve výsledku celkové množství energie dopadající na zemský povrch zvyšovat nebo snižovat.
Mezi skleníkové plyny, jejichž koncentrace v atmosféře je antropogenně podmíněná, patří:
→Oxid uhličitý (CO2) – je přirozeně se vyskytující plyn, který vytváří tzv. uhlíkový cyklus coby produkt dýchání živých organismů a zdroj uhlíku pro fotosyntézu. Dále vzniká spalováním každého materiálu organického původu, tedy i fosilních paliv, dnes stále hlavního zdroje energie. Tímto způsobem se do atmosféry uvolňují zásoby uhlíku miliony let ukládané do litosféry. Na celkovém oteplování (zesilování skleníkového efektu) se ze všech člověkem emitovaných plynů (tedy mimo vodní páru) podílí oxid uhličitý asi 60 %, z čehož rozhodující podíl tvoří právě spalování fosilních paliv (2/3) a odlesňování, kdy uhlík původně vázaný v půdě a lesní biomase emituje ve formě CO2 do atmosféry. Fotosyntéza rostlin totiž odstraňuje oxid uhličitý (tedy uhlík) z atmosféry a ukládá jej do organické hmoty. Další zdroje, jako je výroba cementu, železa či jeho přirozené uvolňování při výbuchu sopek, tvoří jen minoritní podíl. Obsah CO2 v atmosféře se v současnosti zvyšuje tempem přibližně 0,5 % za rok a jeho koncentrace vzrostla od doby předindustriální éry (1750) již o 50 % z 280 ppm (parts per milion, počet částic na milion částic vzduchu) na 422 ppm (stav listopad 2024).
→Metan (CH4) – se podílí na zesílení skleníkového jevu (mimo vodní páry) přibližně 20 %. Hlavními antropogenními zdroji (z aktivit člověka) jsou anaerobní pěstování rýže, úniky zemního plynu při těžbě ropy a uhlí, skládky, ale i digestivní pochody chovaných přežvýkavců. Obsah metanu v atmosféře se od předindustriální doby více než zdvojnásobil. Otázkou a velikým rizikem zůstává postupné potenciální uvolňování metanu z mořského dna z důvodu zahřívání vody oceánů, kdy teplejší voda může uvolnit jeho sublimáty (tzv. hydráty metanu). Obdobně je zde silná vazba na permafrost, jehož tání uvolňuje obrovská množství tohoto plynu. A do třetice málo se ví o jeho vypouštění v době embarg kvůli vojenským konfliktům, kdy je zemní plyn často vypouštěn do atmosféry. Nárůst metanu v atmosféře v současné době činí necelé 1 % za rok a od předindustriální doby (1780) se jeho koncentrace zvýšila o 160 %. Metan v atmosféře zachycuje dlouhovlnnou zemskou radiaci asi 25krát účinněji než CO2. Doba jeho životnosti v ovzduší je od 10–15 let.
→Oxid dusný (N2O) – se podílí na zesílení skleníkového jevu (mimo vodní páry) asi 6 %. Zdrojem jsou opět fosilní paliva, tedy spalovací procesy, ale hlavně denitrifikace zemědělských hnojiv. Roční nárůst atmosférické koncentrace oxidu dusného činí 0,3 %. N2O je 300krát radiačně účinnější než CO2. V atmosféře zůstává přibližně 110 let. Od počátku průmyslové revoluce vzrostla koncentrace oxidu dusného v atmosféře přibližně o 21 %.
→Freony – jsou uměle vytvořené látky, a i přes jejich nepatrnou (stopovou) atmosférickou koncentraci patří díky své vysoké schopnosti pohlcovat dlouhovlnnou radiaci mezi velmi významné skleníkové plyny. Na zesílení skleníkové plynu (mimo vodní páry) se podílí cca ze 14 %. Významné jsou čtyři druhy fluorovaných plynů, které byly vyvinuty speciálně pro použití v průmyslu: částečně fluorované uhlovodíky (HFC), zcela fluorované uhlovodíky (PFC), fluorid sírový (SF6) a fluorid dusitý. Tyto plyny nemají dlouhou historii, neboť neexistovaly do poloviny 20. století. Nejrozšířenější z nich jsou více než 10 000krát radiačně účinnější než CO2 a v atmosféře mohou zůstávat stovky až tisíce let. Nárůst v současné době činí asi 3 % každý rok. Mezi ně musíme počítat i freony nové generace, které se nepodílejí na destrukci ozonové vrstvy.