Podstatou skleníkového efektu je radiační působení troposféry, její schopnost pohlcovat a vyzařovat tepelné záření. Za tepelné záření zde nepovažujeme pouze infračervené záření, ale veškeré elektromagnetické záření, jehož zdrojem je termický pohyb částic, z nichž je objekt složen, tedy i krátkovlnné sluneční záření. Vlnová délka tepelného záření se se zvyšující teplotou vyzařujícího objektu zkracuje. Slunce má vysokou povrchovou teplotu 5,5 tis. °C, proto vydává především krátkovlnné záření s vlnovou délkou převážně pod 3 μm. Zemský povrch i atmosféra, protože je jejich teplota výrazně nižší, vydávají na rozdíl od Slunce záření dlouhovlnné s vlnovou délkou nad 3 μm.
Radiační působení atmosféry je zapříčiněno tím, že obsahuje tzv. skleníkové plyny, které jsou schopné pohlcovat a vyzařovat dlouhovlnné záření. Atmosféra tak významně více pohlcuje dlouhovlnné záření zemského povrchu a ovzduší samého než krátkovlnné sluneční záření. Proto i přes výskyt oblačnosti a znečištění atmosféry aerosoly až k zemskému povrchu v průměru projde něco více jak polovina slunečního záření dopadajícího na horní hranici atmosféry, zatímco, jak je uvedeno výše, opačným směrem dlouhovlnného záření ze zemského povrchu pronikne atmosférou jen asi 5 %.
Záchytem zářivé tepelné energie se skleníkové plyny ohřívají a energii z důvodu termického pohybu předávají narážením do ostatních molekul vzduchu, které nemají radiační vlastnosti, ale kterých je mnohonásobně více. Tím dochází k ohřevu také okolního vzduchu. A podle výsledné teploty, vzduch prostřednictvím skleníkových plynů dlouhovlnné záření zase vydává. Samotné molekuly skleníkových plynů vyzařují všemi směry, ale hmota vzduchu se navenek projevuje jako vrstva a přímo na zemský povrch dopadá dlouhovlnné záření pouze z teplejší spodní oblasti troposféry. Do vesmíru zase uniká záření z chladné horní oblasti.
Průnik dlouhovlnného záření atmosférou si můžeme představit jako situaci za mlhy - pro dlouhovlnné záření skleníkové plyny fungují podobně jako mlha pro viditelné záření. V mlze dohlédneme na předměty pouze do určité vzdálenosti. To znamená, že viditelného záření přicházející k nám od vzdalujícího se předmětu slábne, protože je čím dál více zachycován mlhou. Předmět vidíme stále méně zřetelně, až k nám od předmětu nepronikne žádné viditelné záření a předmět se nám v mlze ztratí. A čím je mlha hustší, tím vidíme předmět na kratší vzdálenost. Stejné se děje s tepelným zářením atmosféry, čím jsou molekuly skleníkových plynů výše nad zemským povrchem, tím méně záření od nich pronikne až na zemský povrch. To znamená, že tepelné ozařování zemského povrchu skleníkovými plyny s jejich výškou nad povrchem slábne a zemský povrch je ozařován nejnižšími, tedy nejteplejšími oblastmi atmosféry.