當氣候科學進入20世紀之后，它的發展極大地得益于物理學,尤其是物理學中關于分子結構的認識以及量子力學的發展極大地促進了人們對氣體分子吸收譜(分子光譜)的理解。這些物理學理論告訴我們，一種氣體分子的吸收譜是由其分子結構決定的(如CO2和水汽的分子結構決定了它只吸收和放出紅外波段的電磁波)，吸收譜中的每一根吸收線實際上是該分子在兩個振動態之間的能量差，是量子化選擇性吸收的結果。在此基礎上,溫室氣體的吸收譜也在實驗室得到了廣泛和準確的測量。

另一個對氣候學發展具有重要貢獻的是天文學領域輻射傳輸理論的發展和完善。在20世紀初期，天文學家和天體物理學家出于對恒星結構以及恒星內部能量的徑向輻射和對流的研究興趣，建立了輻射傳輸的基本理論，這方面的代表性工作是施瓦氏在1906年發表的論文。在該論文中，施瓦氏給出了輻射傳輸的基本方程.還有一些天文和天體物理學家為了解釋地球大氣層對太陽輻射傳輸的影響和校正太陽輻射的地面觀測結果，也開始研究太陽輻射在地球和太陽系行星大氣中的傳輸問題。一個代表性工作是Frank Very在1908年發表的論文。他們已開始用多層大氣的模型來研究輻射傳輸問題，而非像阿倫尼烏斯那樣的一層大氣模式。著名天體物理學家錢德拉塞卡在1950年發表了他的關于輻射傳輸的著作，從而系統地建立了輻射傳輸理論。

到了20世紀50年代，已經有了更為準確的CO2吸收譜的數據，先進的計算機的出現也為準確地計算多層大氣輻射傳輸和CO2吸收譜的積分提供了有效的計算工具(需要指出的是，即使現代的巨型計算機比半個世紀前的計算速度和存儲空間大了許多，對輻射傳輸和輻射譜的積分仍然是一項復雜的工作。為了節約計算時間或加快計算速度，現代氣候模式采用的仍然是近似的帶模式，而非對數百萬條吸收線進行逐線積分)。這些為更準確地計算氣候對CO2的敏感性提供了條件。在這一背景下，美國學者普拉斯首先使用了更為準確的CO2吸收譜和多層大氣輻射傳輸模式來計算CO2變化對氣候的影響。他的結果表明，CO2加倍將造成地面增溫大約3—6℃，這說明阿倫尼烏斯的計算結果僅代表了氣候對CO2敏感性范圍的上邊界。

雖然普拉斯的計算結果比阿倫尼烏斯的結果更為可靠，但普拉斯對地面輻射能量平衡的解釋存在錯誤。在普拉斯的計算中，假定了CO2增加僅造成地面溫度的升高，而大氣層溫度是不變的，其結果將造成大氣層頂入射和向外輻射的不平衡。實際上，在大氣中CO2增加之后，大氣對流層的溫度必將升高，正是由于大氣對流層在較高溫度下向下輻射紅外能量的增加才造成了地面溫度的升高，而在大氣層頂，入射的太陽輻射和出射的地-氣系統能量應該是平衡的。

在普拉斯的計算中，還沒有很好地考慮水汽的吸收譜,因為那時還沒有完整的水汽吸收譜的測量結果。這主要是因為水汽的紅外吸收譜比CO2的要復雜得多,并且延伸到遠紅外波段。另外，普拉斯的計算也沒有考慮大氣的垂直對流運動。當CO2增加使地面增溫之后，近地面層大氣密度變小。將產生上升運動，空氣的上升將把大氣低層的熱量帶到對流層高層，完成上下層大氣之間的熱量交換，從而改變大氣的熱力結構。這些問題直到20世紀60年代后期才由Manabe和Wetherald解決。他們設計了更為真實的輻射傳輸模式，并充分考慮了水汽的吸收譜以及水汽的反饋作用。他們最為重要的貢獻是考慮了大氣的對流運動，并清楚地解釋了在地面和大氣層頂的輻射平衡問題。正因為如此，人們才認為是Manabe和Wetherald的工作真正把全球變暖的問題推向了現代。半個世紀過去了，他們的論文仍然是我們認識全球變暖最基礎的參考文獻。

在Manabe和Wetherald構建輻射對流模式之后不久，前蘇聯氣候學家Budyko和美國氣候學家Sellers分別獨立地提出了氣候能量平衡模式，他們引入了冰-雪反照率的正反饋機制，并考慮了赤道與極地之間的熱量輸送問題。在他們的模式中，準確的大氣輻射傳輸并不是他們關心的重點，所以，他們采用的是近似的灰體大氣來代替輻射傳輸計算，在考慮赤道與極地熱量輸送時，沒有使用真實的三維大氣運動中的熱量輸送，而是用熱量擴散的方案來代替，這些近似保證了他們構建的氣候模式是簡單的，并且可以簡明而定量地揭示氣候系統在冰-雪正反饋機制作用下的不穩定性和氣候平衡態問題。根據他們的模式，氣候系統在相同的太陽輻射條件下可以出現三種氣候態：(1)兩極沒有冰蓋的溫暖氣候,如6500萬年前的恐龍時代；(2)兩極存在冰蓋的溫和氣候；(3)全球完全被冰封的冰雪地球氣候。其中第一種和第三種氣候態是穩定的氣候態，而第二種是不穩定的氣候態，在外強迫或氣候系統內部擾動的作用下，冰-雪正反饋機制很容易導致該氣候態向第一種或第三種氣候態轉化。長期以來，第三種氣候態一直被認為是該簡單模式的數學解，并沒有物理或現實上的意義。但近10年來的研究表明，全球性冰封的冰雪地球氣候有可能在25億年前和7億年前出現過。