La concentración atmosférica del CO2 ha sufrido un considerable aumento en el siglo XX, especialmente en sus últimas décadas. Antes de la revolución industrial (hacia 1750, cuando el escocés James Watt perfeccionó las máquinas de vapor) la concentración de CO2 en la Atmósfera era de unas 280 partes por millón (0,028%). Ahora, a principios del siglo XXI alcanza es de unas 375 ppmv (0,037%).

Desde 1958 (Año Geofísico Internacional) se han llevado a cabo cuidadosas mediciones de las concentraciones de CO2 atmosférico por parte de Charles D Keeling, primero en el Instituto Scripps de Oceanografia de La Jolla, en California, y desde 1974 en el observatorio del volcán Mauna Loa, en Hawai, alejado de fuentes locales de contaminación ( excepto el propio volcán durante sus episodios eruptivos).

En las últimas decadas, el incremento anual de la concentración de CO2 en el aire ha sido por término medio de 1,5 ppmv, es decir, un 0,5 % por año, lo que supone en cantidades absolutas unos 3 Pg de carbono por año (2,12 Petagramos de carbono equivalen a 1 ppm en la concentración atmosférica de CO2 ).

Este incremento anual de CO2 es muy variable. Puede duplicarse o reducirse a la mitad de un año para otro. El intercambio neto entre la atmósfera y la vegetación terrestre sufre oscilaciones interanuales de varios petagramos de carbono. Estas variaciones dependen de anomalías en la temperatura del suelo, en el espesor de la nieve invernal, en la mayor o menor sequía del verano, etc., que afectan al desarrollo de la vegetación y a los procesos biológicos de los suelos. Los cambios ligados al Niño parecen tener también una influencia compleja. Por ejemplo, se calcula que en 1997, año del Niño y de sequía en el sureste asiático, el incremento de CO2 se duplicó porque en Indonesia los incendios arrasaron un millón de hectáreas de terreno, casi todas correspondientes a turberas tropicales de alto contenido de carbono. Por esa causa la emisión global fue entre un 13% y un 40 % superior a la normal.