Le réchauffement des basses couches de l'atmosphère s'accompagne d'un réchauffement progressif des couches supérieures de l'océan. Ce réchauffement est beaucoup plus lent car l'océan a une inertie thermique environ 1000 fois plus importante que l'atmosphère.
Évolution du contenu thermique (10²² Joules, échelle de gauche) et de l'anomalie de température moyenne équivalente (échelle de droite) des 300 premiers mètres de l'océan Atlantique depuis 1948.
Associé à ce réchauffement de l'océan correspond une augmentation de son volume par dilatation thermique. Cet effet contribue avec la fonte des glaciers alpins à l'augmentation du niveau de la mer observé, environ 15 à 20 cm au cours du dernier siècle.
À gauche, le niveau de la mer mesuré depuis un siècle (moyenne annuelle en bleu, moyenne courante sur 5 ans en rouge). À droite, les prévisions d'augmentation du niveau de la mer au cours du siècle prochain pour différents scénarios d'évolutions des gaz à effet de serre, avec des concentrations d'aérosols variables (lignes continues) ou fixées à leur niveau de 1990 (pointillés).