全球增暖导致了海温的变化，而与海温最直接相关的是海洋热含量的变化。海洋由于其巨大的热容量，在气候系统的热量储存和输送方面发挥着重要的作用。海水是一种很好的溶剂，海洋是一个巨大的碳储藏库，海洋容纳的碳比大气容纳的碳多出50倍，海洋中的冷深水是二氧化碳的主要储藏库。而冷深水的形成主要在大西洋，因为大西洋的盐度较高。当化石等燃料燃烧时，二氧化碳被释放到大气中，大约有一半的二氧化碳迅速溶解在海水里，并被带入深海。未来气候变化的预估强烈依赖于海洋的二氧化碳储存量和储存时间。如果海洋储存的二氧化碳量很少，或者被储存以后又被释放到大气中，那么大气中的二氧化碳浓度将会增加。而有多少二氧化碳能被海洋储存，储存多久，这取决于温盐环流的变化。二氧化碳的溶解量取决于深层水的温度，储存时间取决于深层水的补充速率。当前的研究表明，北大西洋输送带呈现出变缓的趋势，深层冷水的补充速率减缓，这可能导致深层与上层间水交换的增加和深层水变暖，大量的二氧化碳气体将会被释放到大气中。这将导致大气中二氧化碳浓度增加，温室效应增强，加剧全球增暖的趋势。

据科学家估算，从1800～1994年，海洋吸收了48%由人类活动诸如燃烧木材及原油所制造的二氧化碳，海洋目前已经达到了它1/3的存储能力。以目前的工业二氧化碳排放量计算，到了21世纪末，海洋的表层水将呈现酸性。尽管这一变化很细微，但它将会威胁到位于海洋食物链底层的一些重要生物，从而进一步威胁到属于地球上最重要的生态系统之一的浅层珊瑚礁。一些研究者认为，2千万年以来相对稳定的海洋化学结构将因为这些额外的二氧化碳而发生变化。千百万年以来，海水中由大陆上风化的岩石所形成的钙可以很好地中和碳酸，从而形成了一个适合生物生存的微妙化学环境；过去5年来的证据显示，由于二氧化碳水平的提高，这种化学平衡被打破了，海洋生物正在受到威胁。人类在工业时代增加的二氧化碳已经使海水的酸值增加了0.1pH单位。到了本世纪末，将会达到0.4个单位，这听上去似乎并不多。但研究者指出，每一个整数pH值的变动代表着整体上10倍关系的变化。对一些生物而言，0.4个单位酸度值的移动可以带来巨大变化。到了本世纪中叶，浅海珊瑚礁将会丧失它们建构自身所必需的30%的碳酸钙，这会阻碍它们的生长，使得它们更容易被侵蚀或者是被风暴摧毁；另外，二氧化碳值的升高使一些重要的浮游生物发育不良或者使它们的外壳缺乏碳酸钙。科学家们认为，他们对这一问题的认识只揭开了冰山一角。实验显示，当海水中缺少某种特殊的碳酸钙时，浮游生物的外壳会在48小时内溶解。

全球增暖对海洋生态系统的影响虽然还未深入研究，但我们可以从海洋典型生态系统的变化找到一些初步的证据。研究表明，色彩斑斓的珊瑚正在逐渐失去光彩，面临生存的威胁。海温升高是导致珊瑚白化的因素之一，科学家已经发现，在某些地区珊瑚的白化与海水的升温有很大关系。例如，澳大利亚海域水温升高导致珊瑚大量死亡。1998年为全球近百年来最热的一年，全球的珊瑚礁生态系统出现大范围的、灾难性的、空前严重的石珊瑚白化并死亡的现象。由于大气中二氧化碳和其他温室气体的聚集带来的全球增暖以及臭氧层的破坏造成阳光中有害紫外线强度的增加，都将威胁珊瑚的生存。

今天人们已经了解到，古代人类文明社会的兴亡，更大程度上是取决于气候的变化，可以肯定，古印度河文明、古埃及文明以及古巴比伦文明的衰落，即使环境不是唯一的决定因素，也是最具决定意义的因素；而仍在文人笔下成“迷”的玛雅文明，则起因于1100年前一次持续两个世纪之久的大干旱；甚至早在4000年前，撒哈拉大沙漠也是一个湖光点点的地区，在一次大干旱后一步步变成一个沙海；当然，最后一步是人类自己完成的，早在2000年前，北撒哈拉仍是一个马可以穿越的地方，那里奔驰着彪悍的努米底亚骑兵，是迦太基战神汉尼拨的无敌王牌，那里由于人类的开垦和植被遭到破坏，到公元5世纪，已经变成了唯有骆驼才能穿越的死亡地带了。