Арктика — это самая северная часть Земли, полярный регион с характерными полярными климатическими условиями: холодные зимы и прохладное лето. Средние зимние температуры могут опускаться до -40°C, а самая низкая зарегистрированная температура — -68°C (-90°F). Морской лёд, образующийся из замёрзшей морской воды, может плавать на поверхности, поскольку его плотность ниже плотности морской воды. Лёд выступает из воды примерно на 12% и может достигать большой толщины (несколько метров). Последствия изменения климата здесь особенно заметны: температура воздуха в Арктике растёт быстрее средней температуры планеты. Площадь морского льда в Арктике, измеряемая ежегодно в сентябре, сократилась на почти 43% в период с 1979 по 2016 год (площадь, превышающая всю Австралию). Также значительно уменьшилась толщина льда за тот же период, что привело к сокращению его объёма почти на 77%. Это представляет серьёзную угрозу для этого уникального экосистемы.

Поверхности обладают способностью отражать определённый процент солнечного излучения, которое они получают. Например, снег отражает больше излучения, чем такая же поверхность, покрытая лесом. Доля отражённого излучения называется альбедо. Это явление особенно важно в динамике, влияющей на изменения климата, особенно на этих широтах: снег и лёд отражают высокий процент излучения в космос (высокое альбедо). Если поверхность, покрытая снегом или льдом, тает из-за повышения температуры, под ней оказывается обычно более тёмная поверхность (вода или скалы), которая отражает значительно меньше излучения (низкое альбедо) и нагревается. В результате температура на Земле продолжает расти, вызывая дальнейшее таяние снега и льда и ещё большее потепление. Этот порочный круг известен как «обратная связь лед-альбедо» (или «ice-albedo feedback»). Эффект обратной связи льда играет особенно важную роль в Арктике.

Постепенное таяние морского льда в арктическое лето приводит к тому, что океан поглощает гораздо больше тепла, чем при наличии ледяного покрова. По мере нагревания океана лёд уменьшается не только из-за солнечной радиации, но и потому, что более тёплая морская вода ускоряет его таяние. Таяние снега и льда усиливает потепление Земли.

Некоторая колеблемость ледяного покрова Земли — это нормально, но в последнее время исчезновение льдов, особенно в полярных регионах, представляет серьёзную угрозу, поскольку уровень моря повышается, ставя под риск существование прибрежных зон. Большая часть льдов на Земле сосредоточена в полярных и субполярных регионах. В настоящее время на Земле существуют две ледяные шапки: Арктическая шапка, включающая ледники Гренландии, и Антарктическая шапка. Одним из наиболее известных эффектов изменения климата, вероятно, является отступление горных ледников и ледяных шапок. Повышение температур и другие локальные факторы, такие как ежегодные снегопады, оказывают влияние на отступление ледников. Однако горные ледники и ледяные шапки составляют лишь небольшую часть глобальных ледяных масс. Большая часть (то есть более 99% глобальной массы ледяных запасов Земли) приходится на ледяные шапки Гренландии и Антарктиды. Почти все наблюдаемые глобально ледники теряют массу в долгосрочной перспективе.

Отступают не только ледники, но и уменьшается количество снега в Северном полушарии. С 1966 года в среднем более 200 км² ежегодно перестают получать снежные осадки по сравнению с предыдущим годом.

Антарктида покрыта самым большим ледяным покровом на Земле. Большая часть льдов Антарктиды находится на материке, в то время как другая часть плавает в виде шельфового ледника у её побережья. В Антарктиде так много льда, что таяние всего ледяного покрова вызвало бы повышение уровня моря примерно на 58 метров.

В отличие от Арктики, с 1979 по 2016 год площадь морского льда в среднем ежегодно увеличивалась примерно на 0,16%. Однако в целом ледяной покров теряет массу: в Восточной Антарктиде наблюдается незначительное увеличение внутреннего льда из-за увеличения снегопадов, тогда как в Западной Антарктиде лед продолжает таять, главным образом из-за повышения температуры морской воды. В результате скорость сдвига льда с материка увеличивается, что приводит к транспортировке в океан большего количества льда, чем образуется в результате снегопадов.
Поскольку во многих районах Западной Антарктиды лед на материке все глубже проникает под уровень моря, с отступлением льда увеличивается площадь контакта с более теплой морской водой. Этот процесс может ещё больше ускорить таяние и, следовательно, скорость движения льда.
По оценкам, ежегодная общая потеря массы внутреннего льда с 2003 по 2016 год составляет около 141 миллиарда тонн.

Ледяной щит Гренландии — второй по величине на Земле после Антарктиды. Он покрывает почти всю территорию Гренландии, а в некоторых местах его толщина превышает три километра.

В отличие от морского льда Северного Ледовитого океана, ледяной щит Гренландии расположен не на воде, а на суше. Поэтому при его таянии уровень моря повышается. Учёные и климатологи утверждают, что если весь ледяной покров Гренландии полностью растает, уровень моря поднимется более чем на семь метров. С 2002 по 2016 год утрата массы ледяного щита Гренландии вызвала ежегодное повышение уровня моря примерно на 0,8 мм, что соответствует средней потере около 280 миллиардов тонн льда в год. Этот процесс в основном обусловлен увеличением отколов льда и интенсивным таянием его поверхности. Следует отметить, что в последние годы потери массы ледяного покрова происходят всё быстрее, и главная причина этого — глобальное потепление.

Когда тающий лёд находится на суше, талая вода стекает в океан, вызывая повышение уровня моря. Если бы весь ледяной покров растаял, уровень моря поднялся бы примерно на 66 метров.

Ситуация отличается для морского льда и ледниковых шельфов, поскольку они уже находятся в воде. Если концентрация соли в воде и в льде одинакова, то таяние такого льда производит ровно столько воды, сколько изначально вытеснял лёд. Однако если концентрация соли различается между морским льдом/ледниковыми шельфами и морской водой, то лёд вытесняет немного меньше воды, чем образуется при его таянии. В этом случае полное таяние морского льда и ледниковых шельфов привело бы к повышению уровня моря примерно на 4 см, из которых примерно 3,6 см приходится на ледниковые шельфы. Таким образом, таяние морского льда в Арктике оказывает минимальное влияние на уровень моря.

Вечная мерзлота — это термин, используемый для обозначения постоянно промерзшего слоя на или под поверхностью земли, то есть слоя грунта, температура которого держится на уровне 0 °C или ниже не менее двух лет подряд. Вечная мерзлота формируется в холодных регионах, таких как Сибирь, Канада, Аляска или горные районы, и покрывает около 24% поверхности Северного полушария. Она состоит из почвы, гравия и песка, обычно скреплённых между собой льдом. В вечной мерзлоте сохраняются органические останки растений и животных, которые замёрзли до того, как успели разложиться.

Из-за глобального потепления вечная мерзлота может из поглотителя углерода превратиться в значительный источник парниковых газов. Когда мерзлота тает, органические остатки, находившиеся в замёрзшем состоянии тысячи лет, становятся доступны для микробиологических процессов разложения. Эти процессы превращают углерод, содержащийся в растениях и животных, в углекислый газ (CO₂) и метан (CH₄), которые затем попадают в атмосферу, усиливая парниковый эффект и, как следствие, глобальное потепление.

Повышенные температуры также способствуют более активному росту растений, которые в краткосрочной перспективе могут поглощать больше CO₂, чем выделяется при таянии мерзлоты. Однако в долгосрочной перспективе происходит обратное: температура на Земле продолжает повышаться, таяние вечной мерзлоты усиливается, и высвобождается всё больше парниковых газов. Этот замкнутый круг называется «обратной связью между мерзлотой и углеродом» (permafrost-carbon feedback). Через этот механизм планета нагревается быстрее, чем если бы причиной были только выбросы, вызванные деятельностью человека.