Iklim umumnya didefinisikan sebagai cuaca rata-rata, dan dengan demikian perubahan iklim dan cuaca saling berkaitan. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa telah terjadi perubahan pada pola cuaca, dan (secara statistik) perubahan cuaca dalam rentang waktu yang panjang mengidentifikasi perubahan iklim. Walaupun cuaca dan iklim berkaitan sangat erat, keduanya tetap sangat berbeda. Hal yang membingungkan antara cuaca dan iklim muncul ketika para ilmuwan ditanya bagaimana mereka bisa memprediksi iklim 50 tahun dari sekarang sedangkan mereka tidak dapat meramalkan cuaca beberapa minggu dari sekarang. Sifat cuaca yang chaotic (tak menentu) ini membuat cuaca tidak dapat diprediksi dalam waktu harian. Memproyeksikan perubahan iklim (yaitu, cuaca rata-rata jangka panjang) akibat perubahan komposisi atmosfer atau faktor-faktor lainnya jauh lebih mudah diselesaikan ketimbang memprediksi cuaca harian. Sebagai analogi, kita tidak mungkin memprediksi usia seseorang kapan dia meninggal, tapi kita dapat mengatakan (dengan keyakinan tinggi) bahwa usia meninggal rata-rata laki-laki di negara-negara industri adalah sekitar 75 tahun. Hal yang membingungkan lainnya adalah pemikiran bahwa musim dingin extrim dibeberapa tempat di dunia adalah bukti penyeimbang pemanasan global, pemikiran ini jelas salah. Selalu ada panas atau dingin yang ekstrim , walaupun frekuensi dan intensitasnya berubah mengikuti perubahan iklim. Tapi ketika data cuaca di rata-ratakan terhadap ruang dan waktu, maka fakta bahwa pemanasan dunia muncul dengan jelas.

Para ahli meteorologi menaruh banyak upaya dalam mengamati, memahami dan meramalkan evolusi dari hari ke hari sistem cuaca . Menggunakan berbagai konsep ilmu fisika tentang bagaimana atmosfer bergerak, menghangat, mendingin, hujan, salju, dan penguapan air, ahli meteorologi biasanya dapat meramalkan cuaca dengan sukses beberapa hari ke depan. Faktor pembatas utama terhadap prediktabilitas cuaca dalam beberapa hari kedepan adalah properti dinamis mendasar dari atmosfer. Tahun 1960-an, ahli meteorologi Edward Lorenz menemukan bahwa perbedaan kondisi awal yang sangat kecil dapat menghasilkan hasil perkiraan yang jauh berbeda. Kondisi ini disebut butterfly effect (efek kupu-kupu): yang pada perinsifnya: perubahan fenomena sekecil apapun disuatu tempat dapat mengubah pola cuaca berikutnya ditempat lain. Inti dari efek ini adalah teori chaos, yang berkaitan dengan bagaimana perubahan kecil dalam variabel-variabel tertentu dapat menyebabkan keacakan dalam sistem yang kompleks.

Namun demikian, bukan berarti teori chaos tidak ada gunanya. Sebagai contoh, perbedaan kecil kondisi awal pada masa lalu mungkin saja akan mengubah waktu kejadian badai atau jalur yang ditempuhnya, tapi suhu rata-rata dan curah hujan (yaitu parameter iklim) akan tetap masih sama untuk daerah tersebut dan periode waktu tersebut. Oleh karena itu, dalam menghadapi masalah peramalan cuaca, sangatlah penting untuk mengetahui semua kondisi pada waktu awal peramalan, hal ini berguna untuk mempelajari iklim dengan berlatarbelakang kondisi-kondisi cuaca. Lebih tepatnya, iklim dapat dipandang sebagai keadaan mengenai seluruh sistem bumi, termasuk atmosfer, tanah, laut, salju, es dan makhluk hidup (lihat Gambar 1) yang berfungsi sebagai latar belakang kondisi global yang menentukan pola cuaca. Contohnya seperti kejadian El Niño di pesisir Peru. Efek El Niño akan menentukan batas-batas kemungkinan evolusi pola cuaca yang dapat menghasilkan efek acak. Sedangkan La Niña akan menghasilkan batas-batas evolusi yang berbeda pula.

Contoh lain dapat dilihat dari perbedaan yang mencolok antara musim panas dan musim dingin. Pergantian musim ini disebabkan oleh perubahan dalam pola geografis dan energi yang diserap-dipancarkan oleh Bumi. Demikian pula, proyeksi iklim di masa depan dibentuk oleh perubahan mendasar dalam energi panas pada sistem Bumi, khususnya peningkatan intensitas efek rumah kaca yang memerangkap panas di sekitar permukaan Bumi, ditentukan oleh jumlah karbon dioksida dan gas rumah kaca lainnya di atmosfer. Memproyeksikan perubahan iklim akibat peningkatan gas rumah kaca 50 tahun dari sekarang adalah sangat berbeda dan jauh lebih mudah daripada memperkirakan pola cuaca hanya beberapa minggu dari sekarang. Dengan kata lain, variasi jangka panjang yang ditimbulkan oleh perubahan komposisi atmosfer jauh lebih dapat diprediksi daripada peristiwa cuaca harian. Sebagai contoh, kami tidak dapat memprediksi hasil dari sebuah lemparan koin atau gulungan dadu, tetapi kita dapat memprediksi perilaku statistik dari sejumlah besar percobaan tersebut.

Meskipun banyak faktor yang terus mempengaruhi iklim, para ilmuwan telah menetapkan bahwa aktivitas manusia telah menjadi faktor yang paling dominan dan paling bertanggung jawab untuk sebagian besar pemanasan yang teramati selama 50 tahun belakangan ini. Manusia bukan hanya menyebabkan penambahan jumlah gas rumah kaca di atmosfer, tetapi juga perubahan komposisi partikel kecil (aerosol), dan juga perubahan dalam penggunaan lahan. Akibat adanya perubahan iklim, maka secara otomatis perubahan ini akan mempengaruhi perilaku cuaca sehari-harinya. Sebagai contoh, akibat peningkatan suhu rata-rata bumi, beberapa fenomena cuaca ekstrim (misalnya, gelombang panas dan hujan deras) menjadi lebih sering dan intens , sementara fenomena cuaca lain (misalnya, peristiwa dingin yang ekstrem) malah makin jarang terjadi.