L'effetto serra dei gas serra è dovuto alla loro capacità di assorbire l'infrarosso (una sorta di radiazione termica). La capacità dei gas serra di assorbire i raggi infrarossi è determinata dalla loro struttura molecolare. Ci sono legami covalenti non polari e legami covalenti polari nella molecola. Le molecole sono anche divise in molecole polari e molecole non polari. La forza della polarità molecolare può essere espressa dal momento di dipolo μ. Solo le vibrazioni con momenti di dipolo mutevoli possono causare spettri di assorbimento infrarosso osservabili. Le molecole con momenti di dipolo sono attive nell'infrarosso; mentre le vibrazioni molecolari con Δμ=0 non possono produrre assorbimento delle vibrazioni infrarosse, sono attive non infrarosse. In altre parole, i gas serra sono molecole attive infrarosse con momenti di dipolo, quindi hanno la capacità di assorbire l'infrarosso e preservare il calore infrarosso.
Il principale gas serra nell'atmosfera è il vapore acqueo (H2O). L'effetto serra prodotto dal vapore acqueo rappresenta circa il 60-70% dell'effetto serra complessivo, seguito da anidride carbonica (CO₂), che rappresenta circa il 26%, e l'altro è ozono (O₃), metano (CH₄), protossido di azoto (N₂O), perfluorocarburi (PFC), idrofluorocarburi (HFC), clorofluorocarburi (HCFC) ed esafluoruro di zolfo (SF6), ecc.