การเปลี่ยนแปลงอย่างมากของสภาพภูมิอากาศที่เราเห็นในช่วง 100 ปีที่ผ่านมา ไม่อาจพิสูจน์ด้วยตัวมันเองว่ามนุษย์มีส่วนเกี่ยวข้อง กลุ่มผู้สงสัยได้ใช้เรื่องนี้เพื่อจุดประเด็นสาเหตุที่ทำให้เกิดโลกร้อนขึ้น บรรยากาศของโลกได้ประสบกับการขึ้นลงของอุณหภูมินับครั้งไม่ถ้วนในช่วง 4,500 ล้านปีที่ผ่านมา การแกว่งขึ้นลงของอุณหภูมิอาจเป็นผลมาจากอะไรก็ได้ ตั้งแต่การระเบิดของภูเขาไฟ ไปจนถึงการเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ของรังสีดวงอาทิตย์ และการเปลี่ยนแปลงวงโคจรของโลก การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในอดีตนี่เองเป็นคำถามที่หลายๆ คนตั้งข้อสงสัยว่า ภาวะโลกร้อนที่เกิดขึ้นในขณะนี้มีสาเหตุมาจากธรรมชาติ หรือเกิดจากสาเหตุอื่นกันแน่
ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา มีงานวิจัยที่ตอบประเด็นปัญหาต่างๆ เหล่านี้มากขึ้น ส่วนใหญ่ผ่านการดำเนินการของคณะกรรมการระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (IPCC) ซึ่งชี้ให้เห็นว่า “หลักฐานที่สมดุลบ่งชี้ว่า มนุษย์มีอิทธิพลชัดเจนต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ” รายงานการประเมินผลฉบับที่ 3 ในปี 2001 ชี้ชัดมากขึ้นว่า “มีหลักฐานใหม่ที่หนักแน่นมากขึ้นแสดงว่า ภาวะโลกร้อนที่สังเกตได้ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมานั้นเกี่ยวข้องกับกิจกรรมของมนุษย์” ในรายงานการประเมินผลครั้งที่ 4 ในปี 2007 ระบุว่า“ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตรัสออกไซด์ในบรรยากาศเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนจากกิจกรรมของมนุษย์นับตั้งแต่ทศวรรษ 1750 และเพิ่มสูงขึ้นเกินกว่าระดับที่เป็นอยู่ในช่วงยุคก่อนอุตสาหกรรม ซึ่งนี่เป็นข้อมูลที่ได้มาจากแกนน้ำแข็งซึ่งระบุได้ย้อนไปหลายพันปี
เพื่อสนับสนุนข้ออ้างเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการหาผลสรุปจากงานที่สำคัญ 2 ประเภท คือ การตรวจวัด (detection) และการเชื่อมโยงเหตุผล (attribution) การวิจัยเพื่อตรวจวัดเป็นวิธีการในการพิจารณาเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงด้านสภาพภูมิอากาศที่ผิดปกติเกิดขึ้น ส่วนการเชื่อมโยงหาเหตุผลนั้นพยายามที่จะหาความสัมพันธ์ที่มนุษย์มีส่วนเกี่ยวข้อง
แนวทางหนึ่งในการหาความเชื่อมโยงระหว่างการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและก๊าซเรือนกระจก คือ การหาลายเซ็นของการเปลี่ยนแปลง และเปรียบเทียบลายเซ็นนั้นกับสิ่งที่เราคาดว่าจะได้จากสาเหตุที่ไม่เกี่ยวข้องกับก๊าซเรือนกระจก ตัวอย่างเช่น ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา อุณหภูมิอากาศพื้นผิวโลกร้อนขึ้นอย่างมากในขั้วโลกและในเวลากลางคืน แบบแผนนี้สอดคล้องกับการคาดการณ์ของแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่มีการรวมเอาการเพิ่มขึ้นของก๊าซเรือนกระจกเข้าไปด้วย อย่างไรก็ตาม แบบแผนนี้มีผู้เห็นสอดคล้องไม่มากนักกับความคิดที่ว่า ภาวะโลกร้อนอาจเกิดจากสาเหตุอื่นๆ เช่นการเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติของอุณหภูมิผิวโลก
การที่แบบจำลองคอมพิวเตอร์มีความซับซ้อนมากขึ้น มีการนำเอาองค์ประกอบของสภาพภูมิอากาศผนวกเพิ่มเติมเข้าไป ทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจมากขึ้นถึงแนวทางของกระบวนการที่มีส่วนทำให้เกิดภาวะโลกร้อนในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา การศึกษาซึ่งดำเนินการโดยศูนย์วิจัยด้านบรรยากาศแห่งชาติของสหรัฐฯ ได้ทำการตรวจสอบปัจจัยต่างๆ 5 ประการที่ทำให้เกิดภาวะโลกร้อน คือ การระเบิดของภูเขาไฟ มลพิษจากละอองของหมอกควัน (aerosol pollution) กิจกรรมของดวงอาทิตย์ ก๊าซเรือนกระจก และการร่อยหรอของชั้นโอโซน ซึ่งแต่ละปัจจัยมีอิทธิพลที่ชัดเจน การระเบิดของภูเขาไฟพินาตูโบ (Pinatubo) ในปี 1991 ทำให้สภาพภูมิอากาศของโลกเย็นลงเป็นเวลาหลายปี มลพิษจากซัลเฟตที่สูงสุดในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ระหว่างสงครามโลกครั้งที่สองและการเกิดขบวนการเคลื่อนไหวด้านสิ่งแวดล้อมอาจมีส่วนทำให้อุณหภูมิเฉลี่ยผิวโลกลดลงในช่วงกลางศตวรรษ
ผลลัพธ์ของรังสีดวงอาทิตย์ที่เปลี่ยนแปลงขึ้น-ลงเล็กน้อยอาจส่งผลให้อุณหภูมิโลกสูงขึ้นในช่วงต้นศตวรรษ และลดลงในช่วงกลางศตวรรษ อย่างไรก็ตาม ดวงอาทิตย์ไม่เกี่ยวข้องใดๆ กับหลักฐานของการที่โลกร้อนขึ้นนับตั้งแต่ทศวรรษ 1970 บนฐานที่ว่า แบบจำลองคอมพิวเตอร์ไม่สามารถหาแนวโน้มของการเกิดภาวะโลกร้อน หากไม่รวมเอาปัจจัยจากก๊าซเรือนกระจกเข้าไปด้วย