Karbon dioksida dalamatmosfera bumiialah agas surih, pada masa ini (awal 2016) mempunyai kepekatan purata 402 bahagian per juta mengikut volum (atau 611 bahagian per juta mengikut jisim). Kepekatan karbon dioksida atmosfera turun naik sedikit mengikut musim, jatuh semasaHemisfera Utaramusim bunga dan musim panas kerana tumbuhan menggunakan gas dan meningkat semasa musim luruh utara dan musim sejuk apabila tumbuhan menjadi tidak aktif atau mati dan reput. Kepekatan juga berbeza mengikut wilayah, paling kuatdekat tanahdengan variasi yang lebih kecil di atas. Di kawasan bandar kepekatan biasanya lebih tinggi dan di dalam rumah mereka boleh mencapai tahap latar belakang 10 kali ganda.
Ttahap kepekatan karbon dioksida telah meningkat disebabkan oleh aktiviti manusia sejak Perang Dunia II. Pembakaran daripadabahan api fosildanpenebangan hutantelah menyebabkan kepekatan karbon dioksida di atmosfera meningkat kira-kira 43% sejak permulaanzaman perindustrian. Kebanyakan karbon dioksida daripada aktiviti manusia dibebaskan daripada pembakaran arang batu dan bahan api fosil lain. Aktiviti manusia lain, termasuk penebangan hutan, pembakaran biojisim, dan pengeluaran simen juga menghasilkan karbon dioksida. Gunung berapi mengeluarkan antara {{0}}.2 dan 0.3 bilion tan karbon dioksida setahun, manakala aktiviti manusia mengeluarkan kira-kira 29 bilion tan. Karbon dioksida ialahgas rumah hijau, menyerap dan memancarkan sinaran inframerah pada dua frekuensi getaran aktif inframerahnya (lihat bahagian "Struktur dan ikatan" di atas). Proses ini menyebabkan karbon dioksida memanaskan permukaan dan atmosfera bawah sambil menyejukkan atmosfera atas. Peningkatan dalam atmosferakepekatan CO2dan gas rumah hijau lain yang tahan lama seperti metana, nitrus oksida dan ozon telah juga mengukuhkan penyerapan dan pelepasan sinaran inframerah, menyebabkan peningkatan purata suhu global sejak pertengahan-20kurun. Karbon dioksida adalah yang paling membimbangkan kerana ia memberikan pemanasan keseluruhan yang lebih besarpengaruh daripada gabungan semua gas lain ini dan kerana ia mempunyai jangka hayat atmosfera yang panjang (beratus-ratus hingga beribu-ribu tahun).
Bukan sahaja peningkatan kepekatan karbon dioksida membawa kepada peningkatan suhu permukaan global, tetapi peningkatan suhu global juga menyebabkan peningkatan kepekatan karbon dioksida. Ini menghasilkan amaklum balas positifuntuk perubahan yang disebabkan oleh proses lain sepertikitaran orbit. Lima ratus juta tahun dahulu kepekatan karbon dioksida adalah 20 kali lebih besar daripada hari ini, menurun kepada 4-5 kali semasaJurassictempoh dan kemudian perlahan-lahan menurun denganpengurangan yang sangat pantasberlaku 49 juta tahun dahulu.
Kepekatan tempatan karbon dioksida boleh mencapai nilai tinggi berhampiran sumber yang kuat, terutamanya yang diasingkan oleh rupa bumi sekeliling. Di mata air panas Bossoleto berhampiranRapolano TermedalamTuscany, Itali, terletak dalam lekukan berbentuk mangkuk dengan diameter kira-kira 100 m (330 kaki), kepekatan CO2 meningkat sehingga melebihi 75% dalam sekelip mata, mencukupi untuk membunuh serangga dan haiwan kecil. Selepas matahari terbit gas tersebar secara perolakan pada siang hari. Kepekatan tinggi CO2 yang dihasilkan oleh gangguan air tasik dalam yang tepu dengan CO2 dianggap telah menyebabkan 37 kematian diTasik Monoun, Cameroonpada tahun 1984 dan 1700 korban diTasik Nyos, Cameroon pada tahun 1986. Karbon dioksida (CO2) buatan manusia terus meningkat melebihi paras yang tidak dilihat dalam ratusan ribu tahun. Pada masa ini, kira-kira separuh daripada karbon dioksida yang dibebaskan daripadapembakaran bahan api fosilkekal dalamsuasanadan tidak diserap oleh tumbuh-tumbuhan dan lautan.
