过去157年的仪器观测显示全球的表面温度都已升高，但区域之间有很大差异。就全球平均而言，在上个世纪的增温分两个阶段发生，1910年代到1940年代(0.35oC)，和增温更强的1970年代至今(0.55oC)。在过去的25年里，增温呈现加速，而且在过去的12年中有11个年份位列有记录以来最温暖的12个年份。在地表以上，自从1950年代末以来的全球观测显示对流层(地表往上直到10公里高处)的增温速度稍快于地表，而平流层(10-30公里的高空)自1979年以来显著降温。这与物理学上的推断和大多数模式结果是一致的。海洋温度上升、海平面升高、冰川融化、北极海冰减少和北半球积雪减少等现象也证实了全球变暖。
没有哪一支温度计能够测量全球温度。但是利用分布于全球陆地各区域的数千个站的温度计获取的观测值与在全球海洋上航运的船舶采集的海表温度观测值，我们能估算出每个月的全球平均温度。为了获取随时间的连贯变化情况，实际上分析观测数据的重点是距平(每个站点的观测值与气候均值的差距)，因为距平的准确性不容易被数据到报率的变化影响。目前我们已经能够使用1850年至今的观测数据，不过在19世纪下半叶的观测远没有覆盖到全球，自1957年在南极开始观测后，数据覆盖面有了很大改善，而在1980年左右有了卫星观测后，数据覆盖是最好的。
在过去的一百年里(从1906至2005年;见图1)，地表温度的全球平均值增加了大约0.74oC。但是，增温情况随季节或地点的变化呈现不稳定和差别。从1850年到大约1915年，除了与自然变率相联系的温度起伏外，总体没有出现很大的温度变化，但这也或许部分是由于数据采集十分有限的结果。1910年代到1940年代出现了全球平均温度的上升(0.35oC)，随后稍微下降了一点(0.1oC)，这之后一直到2006年又出现了迅速升温(0.55oC)(见图1)。这其中，1998年和2005年是最暖的(这两年在统计上难分伯仲)，而在过去的12年中(1995－2006年)有11个年份位居12个最暖年之列。总体上，陆地比海洋增温多，特别是1970年代以来。从季节角度而言，冬季的增温要稍微多一点。城市和城市地区的增温更高(常被称为城市热岛效应)，但是仅局限在一定的空间范围内，而且通过尽量在全球温度数据中剔除受影响的站点以及通过增大误差范围，这种效应已被考虑(图中用灰色带表示)。
1901年以来，少数几个地区的平均温度下降了，最主要的是北大西洋北部靠近格陵兰的地区。而这段时期里，增温最强的是亚洲大陆腹地和北美洲北部。但是，上述地区具有很大的年际变率，因此最明显的增温信号还是出现在中纬度和低纬度的部分地区，尤其是热带海洋地区。在图1下方左边的图框显示了1979年以来的温度趋势，太平洋温度趋势的特点是与厄尔尼诺有关的增温地区和降温地区。
现在已经能够分析世界上许多区域(北美洲和南美洲南部的部分地区、非洲南部和澳大利亚)每日温度极值的长期变化。特别是，这些记录显示自1950年代以来非常寒冷的白昼和夜晚的数目在减少，而极热的白昼和温暖的夜晚的数目在增加(见常问的
问题3.3
)。在南、北半球的大多数中纬度和高纬度地区，无霜季节都变长了。在北半球，主要表现为春季提前到来。
除了上述地球表面的数据外，从1958年以来，利用天气气球，对地表以上的温度也实现了较大范围的观测，而从1979年起又开始获得卫星观测数据。所有的数据都根据仪器和实际观测操作的不同做了必要调整。利用微波卫星数据，创建了关于厚厚的大气层的“卫星温度记录”，包括对流层(从地表向上约10公里)和对流层下层(大约10-30公里的高空)。尽管这些新的分析资料对不同卫星搭载的13种仪器做了交叉标定，并且对观测时间和卫星高度的变化进行了校正，温度趋势中仍存在不确定性。
就20世纪50年代末以来的全球观测来看，最近的数据集显示对流层增温速度稍快于地表，而1979年以来平流层显著降温。这与物理学上的推断和大多数模式结果一致，它们显示了温室气体浓度增加在对流层增温和平流层降温过程中起到的作用；臭氧减少也对平流层降温起了很大作用。
与观测到的地表温度增加一致的是，河流和湖泊冰期缩短了。此外，在20世纪，几乎全世界都出现了冰川质量和面积减少的现象；格陵兰冰盖融化的现象最近越来越明显；在北半球的许多地方，积雪减少了；在各个季节，北极海冰的厚度和面积都减少了，春季和夏季最为严重；海洋在变暖；由于海洋热膨胀和陆地冰的融化，海平面在上升。
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