thumb|upright=1.5|Relativamente ao presente, as áreas-chave para a vida selvagem reterão menos da sua biodiversidade sob um cenário de 2 graus Celsius (3,6 graus Fahrenheit) de aquecimento global, e ainda menos sob 4,5 graus Celsius (8,1 graus Fahrenheit).

Existem vários caminhos plausíveis que podem levar à extinção de espécies de plantas e animais devido às alterações climáticas. Cada espécie evoluiu para existir dentro de um determinado nicho ecológico, mas as alterações climáticas levam a mudanças na temperatura e nos padrões meteorológicos médios. Estas mudanças podem empurrar as condições climáticas para fora do nicho da espécie e, em última análise, torná-la extinta. Normalmente, as espécies confrontadas com condições mutáveis podem adaptar-se no local através de microevolução ou deslocar-se para outro habitat com condições adequadas. No entanto, a velocidade das alterações climáticas recentes é muito rápida. Devido a esta mudança rápida, por exemplo, os animais de sangue frio (uma categoria que inclui anfíbios, répteis e todos os invertebrados) podem ter dificuldade em encontrar um habitat adequado num raio de 50 quilómetros da sua localização atual no final deste século (num cenário intermédio de aquecimento global futuro).

As alterações climáticas também aumentam tanto a frequência como a intensidade de eventos meteorológicos extremos, que podem erradicar diretamente populações regionais de espécies. As espécies que ocupam habitats costeiros e ilhas de baixa altitude também podem extinguir-se devido à subida do nível do mar. Isto já aconteceu com o Melomys rubicola na Austrália, que foi o primeiro mamífero a extinguir-se devido à subida do nível do mar induzida pelo homem, tendo o governo australiano confirmado oficialmente a sua extinção em 2019.

As alterações climáticas têm sido associadas ao aumento da prevalência e disseminação global de doenças infecciosas que afetam a vida selvagem. Isto inclui o Batrachochytrium dendrobatidis, um fungo que é um dos principais motores do declínio mundial das populações de anfíbios.

Até agora, as alterações climáticas ainda não foram um contribuinte principal para a extinção do Holoceno em curso. Na verdade, quase toda a perda irreversível de biodiversidade até à data foi causada por outras pressões antropogénicas, tais como a destruição de habitat. No entanto, os seus efeitos tornar-se-ão certamente mais prevalentes no futuro. Em 2021, 19% das espécies na Lista Vermelha de Espécies Ameaçadas da IUCN já estavam a ser afetadas pelas alterações climáticas. Das 4000 espécies analisadas pelo Sexto Relatório de Avaliação do IPCC, metade revelou ter deslocado a sua distribuição para latitudes ou altitudes mais elevadas em resposta às alterações climáticas. De acordo com a IUCN, assim que uma espécie perde mais de metade da sua área geográfica, é classificada como "em perigo", o que é considerado equivalente a uma probabilidade de extinção superior a 20% nos próximos 10 a 100 anos. Se perder 80% ou mais da sua área, é considerada "criticamente em perigo" e tem uma probabilidade de extinção muito elevada (superior a 50%) nos próximos 10 a 100 anos.

O Sexto Relatório de Avaliação do IPCC projetou que, no futuro, 9% a 14% das espécies avaliadas estariam em risco muito elevado de extinção sob um aquecimento global de 1,5 graus Celsius (2,7 graus Fahrenheit) acima dos níveis pré-industriais; um maior aquecimento significa um risco mais generalizado, com 3 graus Celsius (5,4 graus Fahrenheit) a colocar 12% a 29% em risco muito elevado, e 5 graus Celsius (9 graus Fahrenheit) a colocar 15% a 48%. Em particular, a 3,2 graus Celsius (5,8 graus Fahrenheit), 15% dos invertebrados (incluindo 12% dos polinizadores), 11% dos anfíbios e 10% das plantas com flor estariam num risco de extinção muito elevado, enquanto cerca de 49% dos insetos, 44% das plantas e 26% dos vertebrados estariam num risco de extinção elevado. Em contraste, mesmo o objetivo mais modesto do Acordo de Paris de limitar o aquecimento a 2 graus Celsius (3,6 graus Fahrenheit) reduz a fração de invertebrados, anfíbios e plantas com flor em risco muito elevado para menos de 3%. No entanto, embora o objetivo mais ambicioso de 1,5 graus Celsius (2,7 graus Fahrenheit) reduza drasticamente a proporção de insetos, plantas e vertebrados em risco elevado para 6%, 4% e 8%, a meta menos ambiciosa triplica (para 18%) e duplica (8% e 16%) a proporção das respetivas espécies em risco.

Causas thumb|upright=1.35| Projeções de fenómenos meteorológicos extremos sob diferentes níveis de aquecimento global As alterações climáticas já afetaram adversamente ecorregiões marinhas e terrestres, incluindo tundras, mangais, recifes de coral e grutas. Consequentemente, o aumento das temperaturas globais já tem vindo a empurrar algumas espécies para fora dos seus habitats há décadas.

Quando o Quarto Relatório de Avaliação do IPCC foi publicado em 2007, avaliações de especialistas concluíram que, nas últimas três décadas, o aquecimento induzido pelo homem teve provavelmente uma influência percetível em muitos sistemas físicos e biológicos, e que as tendências de temperatura regional já tinham afetado espécies e ecossistemas em todo o mundo. Na altura do Sexto Relatório de Avaliação, constatou-se que, para todas as espécies das quais existem registos a longo prazo, metade deslocou as suas áreas de distribuição em direção aos polos (e/ou para altitudes superiores no caso de espécies de montanha), enquanto dois terços tiveram os seus eventos primaveris a ocorrer mais cedo.

Muitas das espécies em risco são fauna do Ártico e da Antártida, como os ursos polares. No Ártico, as águas da Baía de Hudson estão livres de gelo durante três semanas a mais do que há trinta anos, afetando os ursos polares, que preferem caçar no gelo marinho.On Thinning Ice Michael Byers London Review of Books Janeiro de 2005 Espécies que dependem de condições meteorológicas frias, como o gerifalte, e corujas-das-neves que caçam lemingues que usam o inverno frio em seu benefício, podem ser afetadas negativamente. As alterações climáticas também estão a levar a um desajuste entre a camuflagem na neve de animais árticos, como a lebre-americana, e a paisagem cada vez mais livre de neve.

Além disso, muitas espécies de plantas e animais de água doce e salgada dependem de águas alimentadas por glaciares para garantir um habitat de água fria ao qual se adaptaram. Algumas espécies de peixes de água doce precisam de água fria para sobreviver e se reproduzir, o que é especialmente verdade para o salmão e a truta-de-garganta-cortada. A redução do escoamento dos glaciares pode levar a um fluxo de ribeiros insuficiente para permitir que estas espécies prosperem. O Krill oceânico, uma espécie fundamental, prefere águas frias e é a principal fonte de alimento para mamíferos aquáticos como a baleia-azul. Os invertebrados marinhos atingem o crescimento máximo nas temperaturas às quais se adaptaram, e animais de sangue frio encontrados em latitudes e altitudes elevadas geralmente crescem mais depressa para compensar a curta época de crescimento. Condições mais quentes do que o ideal resultam num metabolismo mais elevado e consequentes reduções no tamanho corporal, apesar do aumento da procura de alimento, o que, por sua vez, eleva o risco de predação. De facto, mesmo um ligeiro aumento na temperatura durante o desenvolvimento prejudica a eficiência do crescimento e a taxa de sobrevivência na truta-arco-íris.

As espécies de peixes que vivem em águas frias ou frescas podem sofrer uma redução populacional de até 50% na maioria dos cursos de água doce dos E.U.A., de acordo com a maioria dos modelos de alterações climáticas. O aumento das exigências metabólicas devido às temperaturas mais elevadas da água, em combinação com a diminuição das quantidades de alimento, serão os principais contribuidores para o seu declínio. Além disso, muitas espécies de peixes (como o salmão) utilizam os níveis sazonais de água dos ribeiros como meio de reprodução, desovando tipicamente quando o fluxo de água é elevado e migrando para o oceano após a desova. Como se espera que a queda de neve seja reduzida devido às alterações climáticas, prevê-se que o escoamento de água diminua, o que leva a ribeiros com menor caudal, afetando a desova de milhões de salmões. Para acrescentar a isto, a subida do nível do mar começará a inundar os sistemas fluviais costeiros, convertendo-os de habitats de água doce em ambientes salinos onde as espécies indígenas provavelmente perecerão. No sudeste do Alasca, o mar sobe 3,96 centímetros por ano, redepositando sedimentos em vários canais fluviais e trazendo água salgada para o interior. Esta subida do nível do mar não só contamina ribeiros e rios com água salina, mas também as albufeiras às quais estão ligados, onde vivem espécies como o salmão-vermelho. Embora esta espécie de salmão possa sobreviver tanto em água salgada como doce, a perda de um corpo de água doce impede-os de se reproduzir na primavera, uma vez que o processo de desova requer água doce.

Além disso, as alterações climáticas podem perturbar as parcerias ecológicas entre espécies interativas, através de mudanças no comportamento e na fenologia, ou através de um desajuste no nicho climático. A rutura das associações espécie-espécie é uma consequência potencial dos movimentos impulsionados pelo clima de cada espécie individual em direções opostas. As alterações climáticas podem, assim, levar a outra extinção, mais silenciosa e maioritariamente ignorada: a extinção das interações entre espécies. Como consequência do desacoplamento espacial das associações espécie-espécie, os serviços de ecossistema derivados de interações bióticas também estão em risco devido ao desajuste do nicho climático. Perturbações em todo o ecossistema ocorrerão mais cedo sob alterações climáticas mais intensas: sob o cenário de altas emissões RCP8.5, os ecossistemas nos oceanos tropicais seriam os primeiros a sofrer uma rutura abrupta antes de 2030, seguidos pelas florestas tropicais e ambientes polares até 2050. No total, 15% das comunidades ecológicas teriam mais de 20% das suas espécies abruptamente perturbadas se o aquecimento atingisse eventualmente 4 graus Celsius; em contraste, isto aconteceria a menos de 2% se o aquecimento permanecesse abaixo de 2 graus Celsius.

Extinções atribuídas às alterações climáticas Além do Melomys rubicola (ver abaixo), pensa-se que poucas extinções de espécies registadas tenham sido causadas pelas alterações climáticas, em oposição aos outros motores da extinção do Holoceno. Por exemplo, apenas 20 de 864 extinções de espécies são consideradas pela IUCN como possivelmente resultantes das alterações climáticas, total ou parcialmente, e as provas que as ligam às alterações climáticas são tipicamente consideradas fracas ou insubstanciais. Estas extinções de espécies estão listadas na tabela abaixo.