大氣層的溫室效應可以通過比較地球表面的實際觀測溫度和假定沒有大氣層存在的情況下的輻射平衡溫度來說明。假定沒有大氣層的存在,地球表面的輻射能量平衡可以用下面的公式來表示：S0(1-α)πR2=4πR2σT4 .這里的S0=1368Wm-2是太陽常數，也就是太陽輻射在地球軌道的輻射通量，α=0.3,是地球的行星反照率，也就是30%的太陽輻射被反射回太空,只有70%的太陽輻射被地面吸收，R=6370km是地球半徑，σ= 5.67*10-8Wm-2K-4是斯特蕃-玻爾茲曼常數，T是全球平均地表溫度。(1)式的左邊表示地球以圓形截面接收太陽的短波輻射，右邊表示地球以球面向太空輻射的紅外輻射。把上面所有的參數值代入(1)式，得到地表輻射平衡溫度是T =255K。而觀測到的全球平均地表溫度是288K，這說明大氣層的溫室效應把地表溫度升高了33K。

我們也可以使用(1)式計算其他行星的輻射平衡溫度。例如,已知金星的行星反照率是0.78，太陽常數是2639Wm-2，將其代入(1)式，得到金星的輻射平衡溫度是225K。但金星的實際地表平均溫度大約是730K，所以，金星大氣的溫室效應將其表面溫度升高了大約500K。這個數值比地球大氣的溫室效應導致的溫度升高的數值要大得多，說明金星大氣的溫室效應比地球強得多。這是因為金星大氣比地球大氣含有更多的CO2。金星表面的大氣壓力是93個大氣壓，其中的95%是CO2。對火星而言，其大氣層非常稀薄,其大氣壓強不足地球的百分之一，盡管其大氣中CO2 的含量也高達96%，但其溫室效應非常弱。

雖然我們形象地把大氣對地面的增溫作用比喻作玻璃溫室的保溫效應，但它們之間既有相似的地方，也有本質的不同。它們的相同點是，都允許太陽短波輻射透過，并且都阻擋紅外長波輻射透過,使地面得到加熱；不同點是,溫室玻璃阻擋了溫室內外的熱力對流和熱量交換，而地球大氣層中則有熱力對流運動發生。當大氣下層被加熱而產生向上運動時，下層的熱量被輸送到了大氣高層，同時由于大氣層的壓力隨高度的升高而降低，因此，下層的氣塊進入高層之后由于體積膨脹而降溫。