Det er ikke kun i det fysiske miljø, klimaændringerne er blevet meget synlige. Jordens økosystemer med deres planter insekter, dyr og fisk reagerer overalt på klimaændringerne. Økosystemerne påvirkes både af de gennemsnitlige ændringer i temperatur og nedbør, og af den stigende hyppighed af vejrekstremer, specielt perioder med tørke.

Naturens reaktioner på  klimaændringerne varierer kraftigt fra sted til sted, fra art til art og fra år til år. Men der er dog tydelig tegn på generelle ændringer i mange arters årstidcyklus og udbredelsesområder. Samtidig kan det registreres, at klimaændringerne i mange tilfælde favoriserer nogle arter, mens andre arter lider kraftigt under dem.

I USA er til eksempel fyrretræsbillen gået kraftigt frem og har spredt sig langt ud over dens normale udbredelsesområder. I den anden ende af skalaen er koralrevene specielt i de varmere dele af de tropiske områder kraftigt truet af stigende vandtemperaturer, og mange steder er ødelæggelserne allerede tydelige.