Atmosfæren opvarmes ved flere komplekse processer, men kilden til næsten al atmosfærisk opvarmning er solen. Lokalt kan luft opvarmes ved processer, der ikke er direkte afhængige af solen, såsom vulkanudbrud, lynnedslag, skov brande eller menneskelig aktivitet, såsom kraftproduktion og tung industri, men disse varmekilder er ubetydelige sammenlignet med sol stråling.
Solen
Solen udstråler energi i alle retninger i form af varme, lys og stråling. Denne energi er i stand til at opvarme genstande over utrolige afstande. Solopvarmning opstår, når solstråling rammer et molekyle af noget materiale og absorberes. Solstråling rammer reflekterende materialer og reflekterer den væk uden at absorbere meget varme. Gennemsigtige materialer tillader solstråling at passere uden at varme udveksles.
Atmosfæren
Jordens atmosfære er enten reflekterende eller gennemsigtig, afhængigt af bølgelængden af den stråling, den møder. Som et resultat modtager atmosfæren lidt direkte varme fra solstråling. Solenergi reflekteres enten tilbage i rummet eller får lov til at passere igennem uden at dets energi absorberes. Mere energi reflekteres af skyer og kemiske forbindelser, såsom ozon. Kun omkring 54 procent af solens energi passerer gennem atmosfæren for at nå overfladen.
Jorden
Når solstråling når jordens overflade, absorberer jorden og vandmasserne næsten det hele. Kun omkring 4 procent reflekteres tilbage i rummet. Ved at absorbere solenergi varmes disse overflader op. Varme genstande begynder at udstråle langbølget infrarød stråling. Uden atmosfæren ville denne energi udstråle ud i rummet.
Drivhuseffekten
På grund af den kemiske sammensætning af jordens atmosfære når det meste af den infrarøde stråling, der udsendes af den varme overflade, aldrig rummet. I stedet reflekteres eller absorberes strålingen af forbindelser kendt som drivhusgasser. Når disse forbindelser absorberer den infrarøde stråling fra overfladen, opvarmes atmosfæren. Den energi, der reflekteres tilbage mod jorden, varmer overfladen yderligere, hvilket får jorden til at udsende mere infrarød stråling. Dette skaber en cyklus, der holder atmosfæren og overfladen varm.