คาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศของโลกเป็นก๊าซร่องรอยในปัจจุบัน (ต้นปี 2559) มีความเข้มข้นเฉลี่ย 402 ส่วนต่อล้านส่วนตามปริมาตร (หรือ 611 ส่วนต่อล้านส่วนตามมวล) ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศผันผวนเล็กน้อยตามฤดูกาล โดยลดลงในช่วงซีกโลกเหนือฤดูใบไม้ผลิและฤดูร้อนเนื่องจากพืชใช้ก๊าซนี้และเพิ่มขึ้นในช่วงฤดูใบไม้ร่วงและฤดูหนาวทางตอนเหนือเนื่องจากพืชเข้าสู่ช่วงพักตัวหรือตายและสลายตัว ความเข้มข้นยังแตกต่างกันไปในแต่ละภูมิภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งใกล้พื้นดินโดยมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยมากในระดับสูง ในเขตเมืองโดยทั่วไปความเข้มข้นจะสูงกว่า และในอาคารอาจสูงถึง 10 เท่าของระดับพื้นหลัง
Tระดับความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นเนื่องจากกิจกรรมของมนุษย์ตั้งแต่สงครามโลกครั้งที่สอง การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิลและตัดไม้ทำลายป่าทำให้ความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 43 นับตั้งแต่เริ่มมียุคแห่งการปฏิวัติอุตสาหกรรมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จากกิจกรรมของมนุษย์เกิดจากการเผาถ่านหินและเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่นๆ กิจกรรมอื่นๆ ของมนุษย์ เช่น การตัดไม้ทำลายป่า การเผาชีวมวล และการผลิตปูนซีเมนต์ ก็ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เช่นกัน ภูเขาไฟปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ระหว่าง {{0}}.2 ถึง 0.3 พันล้านตันต่อปี ในขณะที่กิจกรรมของมนุษย์ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 29 พันล้านตันก๊าซเรือนกระจกดูดซับและปล่อยรังสีอินฟราเรดที่ความถี่การสั่นสะเทือนที่ใช้งานอินฟราเรดสองความถี่ (ดูหัวข้อ "โครงสร้างและพันธะ" ด้านบน) กระบวนการนี้ทำให้คาร์บอนไดออกไซด์อุ่นขึ้นที่พื้นผิวและชั้นบรรยากาศด้านล่างในขณะที่ทำให้ชั้นบรรยากาศด้านบนเย็นลง ปริมาณรังสีในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นความเข้มข้นของ CO2และก๊าซเรือนกระจกอายุยืนอื่นๆ เช่น มีเทน ไนตรัสออกไซด์ และโอโซน ส่งผลให้การดูดซับและการปล่อยรังสีอินฟราเรดเพิ่มขึ้นตามลำดับ ส่งผลให้อุณหภูมิเฉลี่ยทั่วโลกสูงขึ้นตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 19 เป็นต้นมา คาร์บอนไดออกไซด์เป็นปัญหาที่น่ากังวลที่สุด เนื่องจากก่อให้เกิดภาวะโลกร้อนโดยรวมมากขึ้นมีอิทธิพลมากกว่าก๊าซอื่นๆ ทั้งหมดเหล่านี้รวมกัน และเนื่องจากมีอายุในบรรยากาศยาวนาน (หลายร้อยถึงหลายพันปี)
ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นไม่เพียงแต่ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวโลกเพิ่มขึ้นเท่านั้น แต่อุณหภูมิโลกที่เพิ่มขึ้นยังทำให้ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นด้วย ส่งผลให้เกิดการตอบรับเชิงบวกสำหรับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากกระบวนการอื่น ๆ เช่นวงโคจรเมื่อ 500 ล้านปีก่อน ความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูงกว่าปัจจุบันถึง 20 เท่า และลดลงเหลือ 4–5 เท่าในช่วงเวลาจูราสสิคช่วงเวลาหนึ่งแล้วค่อย ๆ ลดลงด้วยการลดลงอย่างรวดเร็วโดยเฉพาะเกิดขึ้นเมื่อ 49 ล้านปีก่อน
ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในท้องถิ่นอาจสูงถึงระดับใกล้แหล่งกำเนิดก๊าซที่มีความเข้มข้นสูง โดยเฉพาะแหล่งกำเนิดก๊าซที่แยกตัวออกจากภูมิประเทศโดยรอบ ที่บ่อน้ำพุร้อนบอสโซเลโตใกล้ ๆราโปลาโน เทอร์เมในทัสคานี, อิตาลีตั้งอยู่ในแอ่งรูปชามที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 เมตร (330 ฟุต) ความเข้มข้นของ CO2 พุ่งสูงขึ้นเกิน 75% ในช่วงกลางคืน ซึ่งเพียงพอที่จะฆ่าแมลงและสัตว์ขนาดเล็กได้ หลังจากพระอาทิตย์ขึ้น ก๊าซจะแพร่กระจายโดยการพาความร้อนในระหว่างวัน ความเข้มข้นสูงของ CO2 ที่เกิดจากการรบกวนน้ำในทะเลสาบลึกที่อิ่มตัวด้วย CO2 เชื่อว่าทำให้มีผู้เสียชีวิต 37 รายทะเลสาบโมนูน, แคเมอรูนในปีพ.ศ. ๒๕๒๗ และมีผู้เสียชีวิต ๑,๗๐๐ รายทะเลสาบนีโอสแคเมอรูนในปี 1986 คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่มนุษย์สร้างขึ้นยังคงเพิ่มขึ้นสูงเกินระดับที่ไม่เคยพบเห็นมาหลายแสนปี ปัจจุบัน คาร์บอนไดออกไซด์ประมาณครึ่งหนึ่งถูกปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลยังคงอยู่ในบรรยากาศและไม่ถูกดูดซับโดยพืชและมหาสมุทร
