Die Arktis ist die nördlichste Region der Erde und ist eine Polarregion, die durch polare Klimabedingungen, wie kalte Winter und kühle Sommer, gekennzeichnet ist. Die durchschnittlichen Wintertemperaturen können bis -40 °C absinken, und die kälteste aufgezeichnete Temperatur beträgt -68 °C (-90 °F). Meereis, das durch gefrorenes Meerwasser gebildet wird, kann an der Oberfläche schwimmen, da es eine geringere Dichte als Meerwasser hat. Eis tritt nur um etwa 12 % aus dem Wasser und kann sehr dick werden (und kann sogar mehrere Meter betragen). Die Folgen des Klimawandels sind hier sehr deutlich: In der Arktis steigt die Lufttemperatur tendenziell schneller als die durchschnittliche Lufttemperatur des Planeten. Die Ausdehnung des arktischen Meereises, die jedes Jahr im September im Zeitraum zwischen 1979 und 2016 gemessen wird, hat sich um fast 43 % verringert. (Hier handelt es sich um eine Fläche, die größer als ganz Australien ist). Auch die Dicke seines Eises hat sich (im gleichen Zeitraum der Betrachtung) deutlich verringert, so dass sein Volumen um fast 77 % reduziert wurde. Dies stellt eine ernsthafte Bedrohung für dieses besondere Ökosystem dar.

Die Oberflächen haben die Fähigkeit, einen bestimmten Anteil der von der Sonne empfangenen einfallenden Strahlung zu reflektieren. Zum Beispiel spiegelt Schnee mehr Strahlung als die gleiche Fläche, die von einem Wald bedeckt ist. Die Proportion der reflektierten Strahlung wird als „Albedo“ bezeichnet. Dieses Phänomen ist besonders wichtig in der Dynamik, die den Klimawandel insbesondere in diesen Breiten beeinflusst. In der Tat spiegeln Schnee und Eis einen hohen Anteil der Strahlung im Raum (die sogenannte „hohe Albedo“). Wenn eine mit Schnee oder Eis bedeckte Oberfläche aufgrund des Temperaturanstiegs schmilzt, bleibt die Oberfläche darunter (z. B. Wasser oder Felsen) normalerweise dunkler. Sie liegt frei und reflektiert so schließlich viel weniger Strahlung und heizt sich auf. (Hier spricht man von einem Phänomen namens „niedrige Albedo“). Infolgedessen steigt die Temperatur auf der Erde weiter an, was zu noch mehr Schnee- und Eisschmelze und weiterer Erwärmung führt. Dieser Teufelskreis wird als „Eis-Albedo-Rückkopplung“ bezeichnet und die Wirkung dieses Prozesses spielt vor allem in der Arktis eine wichtige Rolle.

Das fortschreitende Abschmelzen des Meereises im arktischen Sommer bedeutet, dass der Ozean viel mehr Wärme aufnimmt, als wenn eine Eisbedeckung vorhanden wäre. Wenn sich der Ozean erwärmt, wird das Eis nicht nur wegen der Sonneneinstrahlung, sondern auch weil das wärmere Meerwasser sein Schmelzen intensiviert, immer dünner und dünner. Das Schmelzen von Schnee und Eis erwärmt die Erde noch mehr.

Eine gewisse Fluktuation der Eisbedeckung der Erde ist normal. In letzter Zeit stellt das Verschwinden von Eis, insbesondere von den Polen, allerdings eine ernsthafte Bedrohung dar, da der Meeresspiegel ansteigt und das weitere Bestehen von Küstengebieten bedroht ist. Das meiste Eis auf der Erde befindet sich in den polaren und subpolaren Regionen. Es gibt derzeit zwei Eiskappen auf der Erde: die arktische Kappe (die das grönländische Eis einschließt) sowie die antarktische Kappe. Eine der bekanntesten Folgen des Klimawandels ist wohl der Rückzug von Gebirgsgletschern und Eiskappen. Höhere Temperaturen und andere lokal unterschiedliche Faktoren, wie der jährliche Schneefall, haben einige Auswirkungen auf den Gletscherrückzug. Gebirgsgletscher und Eiskappen machen aber nur einen kleinen Teil der globalen Eismassen aus. Der größte Teil (das sind mehr als 99 % der globalen Landmasse des Eises) wird von den Eiskappen von Grönland und Antarktis gebildet und fast alle weltweit beobachteten Gletscher verlieren langfristig an Masse.

Nicht nur die Gletscher ziehen sich zurück, auch die Schneemenge in der nördlichen Hemisphäre nimmt ab. Seit 1966 hat sich der Schneefall im Vergleich zum Vorjahr jeweils durchschnittlich um mehr als 200 km² im Gebiet reduziert.

Die Antarktis ist von der größten Eiskappe der Erde bedeckt. Der größte Teil des antarktischen Eises befindet sich auf dem Festland, während ein anderer Teil als Eisschelf vor seinen Küsten schwimmt. Es gibt so viel Eis in der Antarktis, dass das Schmelzen der gesamten Eiskappe den Meeresspiegel um etwa 58 Meter anheben würde.

Im Gegensatz zu dem, was in der Arktis geschieht, ist die Oberfläche des Meereises hier zwischen 1979 und 2016 im Jahresdurchschnitt um etwa 0,16 % angestiegen. Insgesamt verliert die Eiskappe jedoch an Masse: Während es in der Ostantarktis durch einen Anstieg des Schneefalls einen leichten Anstieg des Inlandeises gibt, schmilzt die Eiskappe in der Westantarktis vor allem aufgrund des Anstiegs der Meerwassertemperatur weiter. Dadurch steigt die Geschwindigkeit, mit der das Eis vom Festland fließt. Hierdurch wird mehr Eis in den Ozean transportiert, als durch den Schneefall entsteht. Da in vielen Teilen der Westantarktis sich zurückziehendes Eis an Land immer tiefer unter den Meeresspiegel eindringt, nimmt die Angriffsfläche für wärmeres Meerwasser zu. Dieses Phänomen kann den Schmelzprozess und damit die Geschwindigkeit des Eisflusses weiter beschleunigen. Es wird geschätzt, dass der gesamte jährliche Massenverlust von internem Eis von 2003 bis 2016 etwa 141 Milliarden Tonnen beträgt.

Die grönländische Eiskappe bildet nach der antarktischen Eiskappe das zweitgrößte Permafrostgebiet der Erde. Sie bedeckt fast die gesamte Landoberfläche Grönlands und ist an einigen Stellen mehr als drei Kilometer dick.

Im Gegensatz zum Eis der Arktis liegt die grönländische Eiskappe nicht auf dem Meer, sondern bedeckt das grönländische Festland, und wenn sie schmilzt, steigt der Meeresspiegel. Wissenschaftler und Klimatologen bestätigen, dass der Meeresspiegel um mehr als sieben Meter steigen würde, wenn die gesamte Masse der Eiskappe „verloren“ gehen sollte. Zwischen 2002 und 2016 verursachte die auf dem grönländischen Eisschild verlorene Eismasse einen jährlichen Anstieg des Meeresspiegels um etwa 0,8 mm, was einem durchschnittlichen jährlichen Verlust von etwa 280 Milliarden Tonnen Eis entspricht. Dieses Phänomen wird hauptsächlich durch erhöhte Eisablösung und an der Oberfläche schmelzendes Eis verursacht. Es muss berücksichtigt werden, dass die grönländische Eiskappe in den letzten Jahren zunehmend an Masse verloren hat. Hauptursache hierfür ist die globale Erwärmung.

Wenn das auf dem Festland vorhandene Eis schmilzt, fließt das durch das Schmelzen erzeugte Wasser ins Meer, so dass der Meeresspiegel steigt. Laut Schätzungen soll er um 66 Meter steigen, wenn das ganze Eis schmilzt.

Anders verhält es sich mit Meereis- und Eisschelfen, die sich bereits im Wasser befinden. Wenn das Wasser und das darin enthaltene Eis die gleiche Salzkonzentration haben, produziert das Schmelzen dieses Eises genau die gleiche Wassermenge, die zuvor vom Eis verdrängt wurde. Aber wenn es einen Unterschied in der Salzkonzentration zwischen Meereis und Schelfeis auf der einen Seite und Meerwasser auf der anderen Seite gibt, bewegt das Eis aufgrund der Schmelze etwas weniger als das produzierte Wasser. Im letzteren Fall würde das Abschmelzen aller Meereis- und Eisschelfe zu einem Anstieg des Meeresspiegels um etwa 4 cm führen, von denen der bedeutendste (etwa 3,6 cm) auf die Eisschelfe zurückzuführen ist.

Das Schmelzen von Meereis in der Arktis hat daher nur minimale Auswirkungen auf den Meeresspiegel.

Permafrost bezeichnet eine dauerhaft gefrorene Schicht auf oder unter der Erdoberfläche. In diesem Fall geht es um einen Untergrund, in dem mindestens zwei Jahre lang Temperaturen von 0 °C oder darunter aufgezeichnet werden. Permafrost bildet sich in kalten Regionen wie Sibirien, Kanada, Alaska oder in den Bergen und bedeckt etwa 24 % der Oberfläche der nördlichen Hemisphäre. Er besteht aus Boden, Kies und Sand, die normalerweise durch Eis miteinander verbunden sind. Permafrost speichert die kohlenstoffhaltigen Überreste von Pflanzen und Tieren, die gefroren sind, bevor sie sich zersetzen.

Aufgrund der globalen Erwärmung könnte Permafrost nicht mehr Kohlenstoff speichern, sondern zu einer bedeutenden Quelle für die Heiz-Emissionen des Planeten werden. Tatsächlich werden die seit Jahrtausenden im Permafrost gelagerten Tier- und Pflanzenreste wieder mikrobiologischen Zersetzungsprozessen ausgesetzt, wenn der Permafrost schmilzt. Diese Prozesse wandeln den in Pflanzen und Tieren enthaltenen Kohlenstoff in Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) um, die dann in die Atmosphäre freigesetzt werden können, was zum sogenannten Treibhauseffekt beiträgt und die globale Erwärmung verstärkt.

Höhere Temperaturen führen auch zu erhöhtem Pflanzenwachstum, was kurzfristig mehr CO2 aufnehmen kann, als beim Auftauen freigesetzt wird. Dies gilt aber leider langfristig nicht, da wir stattdessen einen neuen Temperaturanstieg auf der Erde und damit ein weiteres Abschmelzen des Permafrostes sehen. Dieser Teufelskreis wird als „Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung“ bezeichnet. Durch diesen Rückkopplungsmechanismus heizt sich die Erde schneller auf, als dies allein mit den Auswirkungen menschlicher Emissionen möglich wäre.