Diễn biến ấm lên tương lai phụ thuộc vào độ mạnh của những phản hồi khí hậu và lượng khí nhà kính phát thải. Những phản hồi thường được ước định bằng các mô hình khí hậu khác nhau do nhiều tổ chức khoa học phát triển. Một mô hình khí hậu diễn tả các quá trình sinh học, hóa học, vật lý ảnh hưởng đến hệ thống khí hậu. Các mô hình tính đến thay đổi trong quỹ đạo Trái Đất, thay đổi trong hoạt động của Mặt trời, và yếu tố núi lửa. Chúng nỗ lực mô phỏng và dự đoán hoàn lưu của đại dương, chu kỳ thường niên của mùa, hay những dòng chảy carbon giữa bề mặt đất và khí quyển. Các mô hình dự đoán những mức tăng nhiệt độ trong tương lai khác nhau ứng với những lượng khí thải nhà kính đã cho và không hoàn toàn đồng thuận về mức độ của những phản hồi khác nhau và quán tính của hệ thống khí hậu.Các mô hình được kiểm tra năng lực bằng cách xem chúng mô phỏng khí hậu quá khứ và hiện tại chính xác đến đâu. Các mô hình quá khứ đánh giá thấp tốc độ thu hẹp vùng Bắc Cực cũng như tốc độ gia tăng giáng thủy. Mức dâng mực nước biển từ năm 1990 cũng bị những mô hình cũ đánh giá thấp nhưng những mô hình gần đây hơn thì nhất trí với những quan sát. Bản Đánh giá Khí hậu Quốc gia 2017 của Hoa Kỳ lưu ý rằng "các mô hình khí hậu vẫn có thể đánh giá thấp hoặc bỏ sót những quá trình phản hồi liên quan".Các Đường Nồng độ Đại diện (RCP) có thể được dùng làm đầu vào cho mô hình khí hậu: "một kịch bản giảm thiểu nghiêm ngặt (RCP 2.6), hai kịch bản ở giữa (RC P4.5 và RCP 6.0), và một kịch bản phát thải khí nhà kính rất nhiều (RCP 8.5)". RCP chỉ nhìn vào nồng độ khí nhà kính, do đó không tính đến phản ứng của chu kỳ carbon. Những dự báo mô hình khí hậu được tổng kết trong Báo cáo Đánh giá lần thứ 5 của IPCC chỉ ra rằng trong thế kỷ 21, nhiệt độ bề mặt toàn cầu có chiều hướng tăng thêm 0,3 đến 1,7 °C (0,5 đến 3,1 °F) với kịch bản vừa phải, hoặc gần 2,6 đến 4,8 °C (4,7 đến 8,6 °F) với kịch bản tột cùng tùy thuộc vào mức độ xả thải khí nhà kính tương lai và những hiệu ứng phản hồi khí hậu.
Diễn biến ấm lên tương lai phụ thuộc vào độ mạnh của những phản hồi khí hậu và lượng khí nhà kính phát thải. Các mô hình quá khứ đánh giá thấp tốc độ thu hẹp vùng Bắc Cực cũng như tốc độ gia tăng giáng thủy.