Ilmastonmuutos vaikuttaa moniin sellaisiin ilmiöihin, joilla puolestaan on vaikutusta ilmastonmuutokseen. Puhutaan takaisinkytkentäprosesseista. Suuri joukko tälläisiä ilmiöitä tunnetaan, mutta niitä on erittäin vaikea mallintaa, koska ei tiedetä tarpeeksi siitä, millaisissa olosuhteissa ne käynnistyvät ja miten voimakkaita ne voivat olla. Osa niistä saattavat olla pitkään hyvin heikkoja ja sitten tietyn olosuhteissa tapahtuvan rajan ylityttyä ne saattavat voimistua hypäyksenomaisesti, jolloin puhutaan äkillisestä ilmastonmuutoksesta (abrupt climate change). Tälläiset epälineaariset ilmiöt ovat hyvin suuri ja osaksi mahdoton haaste ilmastotieteelle.
Siispä ei pystytä tekemään maapallon säähän liittyviä ennustuksia, joissa tälläiset ilmiöt ovat mukana (esimerkiksi IPCC:n esittämissä laskelmissa vain pieni osa niistä on lainkaan mukana). Niitä käsitellään yleensä riskeinä, joiden mahdollinen vaikutus ylittää kasvihuonekaasujen lämmittävän ja sulfaattipäästöjen viilentävän vaikutuksen. Ne voivat pahimmillaan tuottaa maapallolle karkaavan kasvihuoneilmiön eli ryhmän toisiaan jatkuvasti vahvistavia prosesseja, jotka nostavat nopeasti ja hillitsemättömästi lämpötilaa. Toisaalta ne voivat tuottaa uuden jääkauden - tai mitä tahansa tältä väliltä.
Mikäli ilmastonmuutoksen aikaansaama ilmiö, tai pikemminkin luonnollisen ilmiön muutos, vahvistaa ilmastonmuutosta, tätä kutsutaan positiiviseksi takaisinkytkentäprosessiksi. Mikäli taas tuo ilmiössä tapahtuva muutos pyrkii heikentämään ilmastonmuutosta, sitä kutsutaan negatiiviseksi takaisinkytkentäprosessiksi.
Suuri uhka on maan ja merien hiilinielujen muuttuminen hiililähteiksi. Lähde tarkoittaa prosessia, josta vapautuu ilmakehään kasvihuonekaasua, vaikkapa hiilidioksidia. Tälläisiä prosesseja ovat esimerkiksi fossiilisten polttoaineiden polttaminen tai metsän palaminen. Nielu puolestaan tarkoittaa prosessia, joka imee ilmakehästä kasvihuonekaasuja. Biomassan kasvu niin maassa kuin merissä sitoo jatkuvasti hiilidioksidia. Hiiltä sitoutuu meriveteen myös epäorgaanisesti ja muodostaa erilaisia karbonaattiyhdisteitä. Meren ja maan nielut sitovat noin puolet ihmiskunnan hiilidioksidipäästöistä hidastaen siten ilmastonmuutosta.
Merissä on 50 kertaa enemmän hiiltä kuin ilmakehässä ja tällä hetkellä meri sitoo enemmän hiiltä kuin se vapauttaa eli se toimii nieluna. Mutta lämpötilan lisääntyminen vähentää hiilidioksidin liukoisuutta meriveteen ja se myös heikentää meren planktonin kykyä sitoa hiiltä kasvuunsa. Lämpötilan lisääntyminen myöskin vapauttaa hiilidioksidia meriveden karbonaateista. Merenpohjassa on hyvin suuri määrä metaania kiinteässä muodossa metaaniklatraatteina, joka voi vapautua äkillisestikin lämpötilan noustessa. Voimistunut kasvihuoneilmiö vaikuttaa otsonikerroksen ohenemiseen viilentämällä yläilmakehää ja sitä kautta lisää UV-säteilyä. Se tappaa planktonia ja siten vähentää hiilen sidontaa.
Maaperään ja maanpinnan kasvillisuuteen on sitoutunut kolminkertainen määrä hiiltä ilmakehään verrattuna. Se voi vapautua esimerkiksi metsäpalojen kautta, kuten esim. vuonna 1998 kävi El Nino -ilmiöön liittyvien erityisen voimakkaiden kuivuuskausien johdosta mm. Indonesiassa, Brasiliassa, Meksikossa ja etenkin Siperiassa. Kuivuuskaudet ovat eräs oire ilmastonmuutoksesta. Ikiroudan sulaminen vapauttaa sen alta maaperän hiilidioksidia ja metaania (metaaniklatraateista) sekä kaasu- ja öljyputkistoja rikkomalla metaania ja muita haihtuvia hiilivetyjä.
Toisaalta metsien katoaminen voi johtaa maanpinnan heijastuskyvyn, ns. albedon, kasvamiseen esim. aavikoitumisen kautta. Tällöin suurempi osa maahan tulevasta säteilystä heijastuu takaisin eli kyseessä on viilentävä vaikutus, negatiivinen takaisinkytkentä. Vastaavasti lisääntynyt hiilidioksidipitoisuus voi lannoittaa metsiä ja johtaa siten suurempaan hiilinieluun, joka hidastaa ilmastonmuutosta. Näin käy joillakin alueilla myös lisääntyvän lämpötilan seurauksena. Mutta lämpötilan nousun myötä lämpöstressi heikentää kasvien hiilinielua ja se voi muuttua hiilen lähteeksi.
Jäätiköiden sulaminen puolestaan vahvistaa ilmastonmuutosta, koska pinnan heijastuskyky heikkenee.
Lämpötilan kasvu lisää veden höyrystymistä. Koska vesihöyry on kasvihuonekaasu, tämä vaikuttaa lämpötilaa lisäävästi. Mutta lisääntynyt pilvien muodostuminen toisaalta heijastaa auringon valoa viilentäen ilmastoa, toisaalta heijastaa maan lämpösäteilyä takaisin lämmittäen ilmastoa. Pilvenmuodostusta lisäävät typen oksidi- sekä rikkidioksidipäästöt. Lentoliikenne aiheuttaa yläilmakehän pilvenmuodostusta tuottamalla sinne vesihöyry-, NOx- ja SO2-päästöjä. Lisääntyneellä pilvenmuodostuksella on siis sekä positiivista että negatiivista takaisinkytkentäluonnetta ja kokonaisvaikutuksen arviot ovat erittäin epävarmoja.
Golf-virrassa tapahtuvat muutokset ovat suuri arvoitus. Golf-virta aiheutuu siitä, että Grönlannin jäätiköillä suolaveden jäätyessä makeaksi jääksi suolaa vapautuu ympäröivään veteen tehden sen raskaammaksi. Raskas, suolainen vesi vajoaa pohjaan aiheuttaen suuren kiertovirtauksen, joka tuo lämmintä pintavettä Meksikon lahdelta ja aina Intian ja Tyyneltä valtamerelta asti. Virtaus on 100 kertaa Amazon-joen virtausta suurempi ja nostaa lämpötilaa alueellisesti, mm. Suomessa n. 10 astetta. Samalla tämä pumppu upottaa suuren määrän pintaveden hiilidioksidia pohjaveteen. On havaittu, että Golf-virta on heikkenemässä johtuen jäätiköiden sulamisen ja sateiden tuottamasta makeasta vedestä jäätiköiden lähellä. Pumpun heikkeneminen laskee lämpötilaa pohjoisessa ja voi johtaa jääkauteen. Toisaalta se nostaa lämpötiloja ennestäänkin kuumassa tropiikissa, mikä kiihdyttää metsien tuhoutumista. Myöskin meren hiilinielu heikkenee.