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近百年来全球气候出现了以变暖为主要特征的系统性变化。工业化以来由于煤、石油等化石能源大量使用而排放的二氧化碳和其他温室气体，造成了大气温室气体浓度升高，温室效应增强，导致了工业化时期以来的气候系统变暖。2019 年全球大气中二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的平均浓度分别为410.5×10 -6 、1877×10> -9 和 332×10 -9 ，较工业化前时代（1750 年）水平分别增加 48%、160%和 23%，达到过去 80 万年来的最高水平。2019 年大气主要温室气体增加造成的有效辐射强迫已达到 3.14 瓦/平方米，明显高于太阳活动和火山爆发等自然因素所导致的辐射强迫，是全球气候变暖最主要的影响因子。2021 年 8 月发布的政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）第一工作组报告《气候变化 2021：自然科学基础》评估指出，大气中二氧化碳等温室气体浓度的持续增加造成温室气体的辐射效应进一步增强，当前人为辐射强迫为 2.72 瓦/平方米，比 2013 年IPCC第五次评估报告（AR5）第一工作组报告所评估的 2.29 瓦/平方米高 20%左右，所增加的辐射强迫中约 80%是大气中温室气体浓度增加造成的。
地球大气中本身就含有一定浓度的二氧化碳，陆地和海洋生态系统也都能吸收和释放二氧化碳，因此大气二氧化碳浓度存在时间和空间上的自然波动。当二氧化碳（无论是自然过程释放的还是人为活动排放的）进入大气中时会被风混合，并随着时间的推移而均匀分布到全球各地；由于地球大气的运动形式以纬向为主，北半球和南半球之间混合的速度较慢，因此在全球尺度上需要一年多的时间才能达到充分混合。在没有人为排放的情况下，大气中的二氧化碳浓度在年际尺度上基本保持平衡，自然过程释放的二氧化碳基本上被自然过程吸收，大气二氧化碳浓度保持相对稳定。
在人为排放的情况下，排放的二氧化碳一部分留在了大气中造成大气二氧化碳浓度升高，另一部分则被海洋和陆地自然过程吸收（1850—2019 年人类活动累计排放的 23 900 亿吨二氧化碳中约 14 300 亿吨被自然过程吸收，约占累计排放量的 60%）。在未来人为二氧化碳排放量持续增加的情景下，虽然海洋和陆地会吸收更多的人为二氧化碳排放，但吸收的比例会逐渐降低，也就是说海洋和陆地在降低大气二氧化碳累积方面的碳汇作用会减弱，更多的二氧化碳被留在了大气中。
要控制全球地表平均气温的温升幅度，就需要将人为二氧化碳累积排放量控制在一定范围内，使大气二氧化碳浓度不再增长。换句话说，就是人为二氧化碳的排放和吸收之间达到平衡，即实现人为二氧化碳的净零排放，又称为二氧化碳中和或碳中和。根据IPCC第六次评估报告关于碳中和的定义，碳中和指的是人为排放和人为吸收之间的中和，不受自然过程的影响。也就是说，不受人为控制的自然过程所排放和吸收的二氧化碳不能被用来计算碳中和。实现碳中和不能依赖于自然过程。此外，碳中和在不同尺度上的含义存在差别，只有在全球尺度上碳中和才等同于净零排放。