Ogljikov dioksid vZemljina atmosferaje aplin v sledovih, ki ima trenutno (začetek leta 2016) povprečno koncentracijo 402 delcev na milijon po prostornini (ali 611 delcev na milijon po masi). Atmosferske koncentracije ogljikovega dioksida rahlo nihajo glede na letne čase in padajo medSeverna poloblaspomladi in poleti, ko rastline porabljajo plin, in se dvigajo med severno jesenjo in zimo, ko rastline mirujejo ali odmrejo in propadajo. Koncentracije se razlikujejo tudi po regijah, najbolj močnoblizu talz veliko manjšimi variacijami navzgor. V mestnih območjih so koncentracije na splošno višje in v zaprtih prostorih lahko dosežejo 10-kratno raven ozadja.
TKoncentracije ogljikovega dioksida so se po drugi svetovni vojni povečale zaradi človekovih dejavnosti. Izgorevanjefosilna gorivainkrčenje gozdovso povzročile povečanje koncentracije ogljikovega dioksida v ozračju za približno 43 % od začetkadoba industrializacije. Večina ogljikovega dioksida iz človeških dejavnosti se sprosti pri sežiganju premoga in drugih fosilnih goriv. Druge človeške dejavnosti, vključno s krčenjem gozdov, sežiganjem biomase in proizvodnjo cementa, prav tako proizvajajo ogljikov dioksid. Vulkani izpustijo med {{0}},2 do 0,3 milijarde ton ogljikovega dioksida na leto, medtem ko človekove dejavnosti izpustijo približno 29 milijard ton. Ogljikov dioksid jetoplogredni plin, ki absorbira in oddaja infrardeče sevanje na svojih dveh infrardečih aktivnih vibracijskih frekvencah (glejte poglavje "Struktura in vezava" zgoraj). Ta proces povzroči, da ogljikov dioksid segreje površino in nižjo atmosfero, medtem ko ohlaja zgornjo atmosfero. Povečanje atmosferskegakoncentracije CO2in drugi dolgoživi toplogredni plini, kot so metan, dušikov oksid in ozon, so ustrezno okrepili svojo absorpcijo in emisijo infrardečega sevanja, kar je povzročilo dvig povprečne globalne temperature od sredine -20stoletja. Ogljikov dioksid je najbolj zaskrbljujoč, ker povzroča večje splošno segrevanjevpliv kot vsi ti drugi plini skupaj in ker ima dolgo življenjsko dobo v atmosferi (stotine do tisoče let).
Ne samo, da naraščajoče koncentracije ogljikovega dioksida vodijo do povečanja globalne površinske temperature, ampak naraščajoče globalne temperature povzročajo tudi naraščajoče koncentracije ogljikovega dioksida. To proizvaja apozitivne povratne informacijeza spremembe, ki jih povzročijo drugi procesi, kot nprorbitalni cikli. Pred petsto milijoni let je bila koncentracija ogljikovega dioksida 20-krat večja kot danes, v času pa se je zmanjšala na 4–5-krat.Jurskiobdobju in nato počasi upada zposebno hitro zmanjšanjezgodil pred 49 milijoni let.
Lokalne koncentracije ogljikovega dioksida lahko dosežejo visoke vrednosti v bližini močnih virov, zlasti tistih, ki so izolirani z okoliškim terenom. Pri vročem izviru Bossoleto blizuRapolano TermevToskana, Italija, ki se nahaja v skledasti depresiji s premerom približno 100 m (330 ft), koncentracije CO2 čez noč narastejo nad 75 %, kar zadostuje za ubijanje žuželk in majhnih živali. Po sončnem vzhodu se plin čez dan razprši s konvekcijo. Visoke koncentracije CO2, ki nastanejo zaradi motenj globoke jezerske vode, nasičene s CO2, naj bi povzročile 37 smrtnih žrtev naJezero Monoun, Kamerunleta 1984 in 1700 žrtev priJezero Nyos, Kamerun leta 1986. Ogljikov dioksid (CO2), ki ga povzroči človek, še naprej narašča nad ravni, ki jih ni bilo več sto tisoč let. Trenutno je približno polovica ogljikovega dioksida, sproščenega izizgorevanje fosilnih gorivostaja vvzdušjein ga vegetacija in oceani ne absorbirajo.
