El Ártico es la región más septentrional de la Tierra y se caracteriza por unas condiciones climáticas polares: inviernos fríos y veranos frescos. Las temperaturas medias invernales pueden descender hasta -40 °C y la temperatura más fría registrada es de -68 °C. El hielo marino, formado por agua de mar congelada, puede flotar en la superficie porque tiene una densidad inferior a la del agua de mar. El hielo emerge del agua solo en un 12% y puede llegar a ser muy grueso (incluso metros). Las consecuencias del cambio climático son muy evidentes: en el Ártico, la temperatura del aire tiende a aumentar más rápidamente que la temperatura media del planeta. La extensión del hielo marino del Ártico, que se mide cada año en septiembre, disminuyó casi un 43% entre 1979 y 2016 (una superficie mayor que toda Australia). El grosor de su hielo (durante el mismo periodo de tiempo) también disminuyó significativamente, lo que supuso una reducción de casi el 77%. Esto supone una grave amenaza para este ecosistema en particular.

Las superficies tienen la capacidad de reflejar un determinado porcentaje de la radiación incidente recibida del sol. Por ejemplo, la nieve refleja más radiación que la misma superficie cubierta por un bosque. La proporción de radiación reflejada se denomina albedo. Este fenómeno es especialmente importante en la dinámica que influye en el cambio climático, sobre todo en estas latitudes: la nieve y el hielo reflejan un alto porcentaje de la radiación de vuelta al espacio (albedo alto). Si una superficie cubierta de nieve o hielo se derrite debido al aumento de las temperaturas, la superficie subyacente, normalmente más oscura (como el agua o las rocas) queda expuesta y acaba reflejando una cantidad mucho menor de radiación (albedo bajo), calentándose. Como resultado, la temperatura de la Tierra sigue aumentando, lo que provoca un mayor deshielo y un mayor calentamiento. Este círculo vicioso se conoce como «retroalimentación hielo-albedo». El efecto de retroalimentación hielo-albedo desempeña un papel importante, especialmente en el Ártico.

El deshielo gradual del hielo marino en el verano ártico hace que el océano absorba mucho más calor del que absorbería en presencia de una capa de hielo. A medida que el océano se calienta, el hielo se hace cada vez más pequeño, no solo a causa de la radiación solar, sino también porque el agua marina más caliente intensifica aún más su fusión. El deshielo aumenta el calentamiento de la Tierra.

Cierta fluctuación en la capa de hielo de la Tierra es normal, pero recientemente la desaparición del hielo, especialmente de los polos, supone una grave amenaza porque el nivel del mar está subiendo, lo que pone en peligro la existencia de las zonas costeras. La mayor parte del hielo de la Tierra se encuentra en las regiones polares y subpolares. Actualmente, existen dos casquetes polares en la Tierra: el casquete polar ártico, que incluye el hielo de Groenlandia, y el casquete polar antártico. Uno de los efectos más conocidos del cambio climático es probablemente el retroceso de los glaciares de montaña y de los casquetes polares. El aumento de las temperaturas y otros factores localmente variables, como las nevadas anuales, tienen cierto impacto en el retroceso de los glaciares. Pero los glaciares de montaña y los casquetes polares representan solo una pequeña parte de las masas de hielo mundiales. La mayor parte (es decir, más del 99% de la masa de hielo terrestre mundial) está representada por las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida. Casi todos los glaciares observados en el mundo pierden masa a largo plazo.

No solo retroceden los glaciares, sino que también disminuye la cantidad de nieve en el hemisferio norte. Desde 1966, una media de más de 200 km² no ha recibido ninguna nevada en comparación con el año anterior.

La Antártida está cubierta por la mayor capa de hielo de la Tierra. La mayor parte del hielo de la Antártida yace en tierra, mientras que otra parte flota, en forma de témpanos, frente a sus costas. Hay tanto hielo en la Antártida que la fusión de toda la capa de hielo elevaría el nivel del mar unos 58 metros.

En contraste con el Ártico, entre 1979 y 2016 la superficie de hielo marino aumentó, de media anual, alrededor de un 0,16%. En conjunto, sin embargo, la capa de hielo está perdiendo masa: mientras que en la Antártida Oriental se observa un ligero aumento del hielo interior debido al incremento de las nevadas, en la Antártida Occidental la capa de hielo sigue derritiéndose, debido principalmente al aumento de la temperatura del agua del mar. Como consecuencia, aumenta la velocidad del flujo de hielo desde tierra, lo que provoca que se transporte al océano más hielo del que se forma por las nevadas. Dado que en muchas zonas de la Antártida Occidental el hielo terrestre se filtra cada vez más profundamente bajo el nivel del mar, a medida que el hielo retrocede, aumenta la superficie de ataque del agua de mar más caliente. Este fenómeno puede acelerar aún más el proceso de fusión y, en consecuencia, la velocidad del flujo de hielo. Se calcula que la pérdida total anual de masa de hielo continental entre 2003 y 2016 ha sido de unos 141.000 millones de toneladas.

La capa de hielo de Groenlandia es la segunda más grande de la Tierra después de la de la Antártida. Cubre casi toda la superficie terrestre de Groenlandia y en algunos lugares tiene más de tres kilómetros de espesor.

A diferencia del hielo del océano Ártico, la capa de hielo de Groenlandia no está sobre el mar, sino que cubre la masa terrestre de la isla. Cuando se derrite, el nivel del mar sube. Los científicos y climatólogos afirman que, si se «perdiera» toda la masa de la capa de hielo, el nivel del mar subiría más de siete metros. Entre 2002 y 2016, la pérdida de masa de hielo de la capa de Groenlandia provocó una subida anual del nivel del mar de unos 0,8 mm, lo que corresponde a una pérdida media anual de unos 280.000 millones de toneladas de hielo. Este fenómeno se debe principalmente al aumento del desprendimiento de hielo y a la fusión del hielo superficial. Cabe señalar que la capa de hielo de Groenlandia ha ido perdiendo masa a un ritmo cada vez mayor en los últimos años, y la causa principal es el calentamiento global.

Cuando el hielo terrestre se derrite, el agua producida por el deshielo fluye hacia el mar, provocando su elevación. Si todo el hielo se derritiera, se calcula que el nivel del mar subiría unos 66 metros.

La situación es diferente para el hielo marino y las plataformas de hielo, que ya están en el agua. Si el agua y el hielo que hay en ella tienen la misma concentración de sal, la fusión de este hielo produce exactamente la misma cantidad de agua que antes era desplazada por el hielo. Pero si hay una diferencia en la concentración de sal entre el hielo marino y las plataformas de hielo, por un lado, y el agua del mar, por otro, el hielo desplaza algo menos de agua que la producida por la fusión. En este último caso, por tanto, el deshielo de todo el hielo marino y de las plataformas de hielo provocaría una subida del nivel del mar de unos 4 cm, la mayor parte de los cuales (unos 3,6 cm) es atribuible a las plataformas de hielo. En consecuencia, el deshielo del hielo marino en el Ártico tiene un impacto mínimo sobre el nivel del mar.

Permafrost es el término utilizado para describir una capa permanentemente congelada sobre o bajo la superficie terrestre, en este caso un subsuelo en el que se registran temperaturas de 0 °C o inferiores durante al menos dos años. El permafrost se forma en regiones frías, como Siberia, Canadá, Alaska o las montañas, y cubre alrededor del 24% de la superficie del hemisferio norte; está formado por tierra, grava y arena, normalmente unidas por hielo. El permafrost conserva los restos de carbono de plantas y animales que se congelaron antes de descomponerse.

Debido al calentamiento global, el permafrost, en lugar de almacenar carbono, podría convertirse en una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero. De hecho, si el permafrost se descongela, los restos de animales y plantas, que han permanecido almacenados en su interior durante miles de años, vuelven a quedar expuestos a los procesos de descomposición microbiológica. Estos procesos convierten el carbono contenido en plantas y animales en dióxido de carbono (CO₂) y metano (CH₄), que pueden liberarse a la atmósfera, contribuyendo al llamado efecto invernadero e intensificando el calentamiento global.

Las temperaturas más altas también provocan un aumento del crecimiento de las plantas, que a corto plazo pueden absorber más CO₂ del que se libera por el deshielo. Desgraciadamente, sin embargo, esto no se cumple a largo plazo, donde, en cambio, asistimos a un nuevo aumento de la temperatura en la Tierra y, por tanto, a un mayor deshielo del permafrost. Este círculo vicioso se conoce como «retroalimentación permafrost-carbono». A través de este mecanismo de retroalimentación, la Tierra se calienta más rápido de lo que lo haría solo con el impacto de las emisiones humanas.