Klimatski modeli su matematičke reprezentacije međudjelovanja između atmosfere, oceana, kopnenih površina, leda i Sunca. Očito je riječ o vrlo zahtjevnom zadatku te su stoga modeli sagrađeni kako bi procijenili trendove a ne pojedinačne događaje. Na primjer, klimatski model može reći da će biti hladno zimi ali ne može reći kolika će biti temperatura za neki specifični dan - ovo je zadatak vremenske prognoze. Klimatski trendovi su vremenski događaji usrednjeni tijekom vremena - obično 30 godina. Trendovi su važni jer uklanjaju - ili “izglađuju” - pojedinačne događaje koji mogu biti ekstremni ali vrlo rijetki.

Klimatski modeli moraju biti ispitani kako bi se saznala njihova funkcionalnost. S obzirom kako ne možemo čekati 30 godina da bismo vidjeli jesu li modeli dobri ili ne, modeli se ispituju i testiraju s obzirom na prošlost i ono što znamo da se dogodilo. Ako klimatski model može točno predvidjeti trendove od početne točke negdje u prošlosti, možemo predvidjeti s razumnom sigurnošću što se može dogoditi u budućnosti.

Tako su svi modeli prvo testirani u procesu koji se naziva prognoza za prošlo razdoblje (eng. hindcasting). Modeli koji se koriste za prognoze budućeg globalnog zagrijavanja mogu točno opisati povijesne klimatske promjene. Ako uspjevaju točno opisati prošlost, nema razloga vjerovati da će njihove prognoze biti netočne. Ispitivanje modela u odnosu na instrumentalna mjerenja daje za zaključiti da CO₂ mora biti glavni uzrok globalnog zagrijavanja, jer modeli ne mogu simulirati ono što se već dogodilo u prošlosti ukoliko se dodatan CO₂ ne uključi i u model. Sva ostala forsiranja su dostatna u objašnjavanju promjena temperature prije njenog porasta u posljednjih 30 godina, dok niti jedan od njih nije u mogućnosti objasniti isti porast u posljednjih 30 godina. CO₂ objašnjava ovaj porast te ga objašnjava u potpunosti bez potrebe za ikakvim dodatnim još nepoznatim forsiranjem.

Modeli su se pokazali uspješnim u davanju točnih predviđanja. Na primjer, erupcija vulkana Pinatubo je dao priliku modelarima da testiraju točnost svojih modela na način da su modelima zadani podaci o samoj erupciji. Modeli su uspješno simulirali klimatski odgovor nakon erupcije. Modeli su također točno predivdjeli druge efekte koji su naknadno potvrđeni mjerenjima, uključujući veće zagrijavanje na području Arktika i iznad kopna, veće zagrijavanje noću te hlađenje u stratosferi.

Klimatski modeli, bez puno melodrame, mogu biti vrlo konzervativni u predviđanjima koje donose. Na primjer, ispod slijedi krivulja porasta razine mora:

Izmjereni porast razine mora od 1970. godine iz staničnih (crvena linija) i satelitskih mjerenja (plava linija) u usporedbi s projekcijama modela za razdoblje 1990.-2010. prema Trećem izvješću IPCC-a (izvor: The Copenhagen Diagnosis, 2009).

U ovom su slučaju modeli podcijenili problem. U stvarnosti, opažena razina mora prati gornji raspon projekcija modela. Postoje i drugi primjeri gdje su se modeli pokazali previše konzervativni, a ne kao pretjerano alarmanti kako ih neki neopravdano smatraju. Svi modeli imaju ograničenja - neodređenosti - jer se koriste za opisivanje složenih sustava. Ipak, svi se modeli razvijaju tijekom vremena, te kako se  povećavaju izvori informacija o stvarnom svijetu (npr. satelitski podaci), izlaz klimatskih modela se može neprekidno profiniti kako bi se povećala njihova snaga i korisnost.

Klimatski modeli su već predvidjeli mnoge od fenomena za koje imamo empiričke dokaze. Klimatski modeli pružaju pouzdan vodič za moguće klimatske promjene.