La réelle prise de conscience du phénomène est récente, mais cela fait longtemps que l'on soupçonne l'action des GES sur la température de la Terre.
C'est en 1827 que le mathématicien et physicien Jean-Baptiste Fourier découvre le phénomène et fait l'analogie avec la serre. En 1863, le physicien John Tyndall attribue l'effet de serre à la vapeur d'eau. En 1896, le chimiste Svante Arrhénius découvre que le CO2 peut absorber beaucoup de chaleur. Il émet alors l'hypothèse que la combustion du charbon, du pétrole et du gaz naturel peut conduire, de part les quantités de CO2 rejetées dans l'atmosphère, à un réchauffement de la planète. Cette hypothèse est confirmée par la hausse de la température moyenne à la surface de la Terre constatée entre 1880 et 1940. Entre 1940 et 1970, en plein boom économique, on a pu assister à une baisse de la température moyenne, qui remit plus ou moins en cause l'effet de serre. Mais la récente hausse des températures ne permet plus de douter de l'action des GES sur le climat terrestre. En 1957, le taux de CO2 mesuré dans l'atmosphère était de 315 ppm (partie par million), alors qu'il est aujourd'hui de 360 ppm. On estime qu'en 1750, le taux de CO2 dans l'air était de 280 ppm.