氣候變化影響生態系統的微妙平衡。一些陸地、淡水和海洋物種會隨着氣候變化而改變其地理分布、季節活動、遷移模式、數量以及與其他物種的互動。未能快速適應氣候變化的物種數量會減少，甚至絕種。

1. 物種的地域分布

假如物種不能適應更暖的環境，牠們必須向較涼的區域遷移。在陸地上的物種會向較高緯度或較高海拔的地區遷移；在海洋的物種會向較高緯度或更深的海洋遷移。

例子：

(a)美國龍蝦往高緯度遷移

(b)北方森林向北遷移

(c)動物往北遷移

對於一些生存環境受限制的物種，遷移未必是可行的選項。例如香港的棘胸蛙棲息於大帽山的高地山溪，氣候變暖可能令牠們無路可退。

2. 物候

氣候變暖和降水增多可以導致某些地區的植物生長季節延長；季節來臨的時間改變，擾亂了候鳥遷移的路線和週期；春天提早到來令開花植物提早開花，冬眠動物也提早活動。

例子：

(a)植物開花時間與傳粉者到來的時間錯配，會影響植物繁殖和傳粉者可獲取的食物，後果深遠

(b)候鳥的遷移、繁殖與獵物出現的時間錯配，使候鳥的繁殖成功率大大降低，對候鳥的數目和物種結構有深遠的影響。

3. 生境

不論是陸地或海洋，氣候變化可以對物種生境造成直接或間接的破壞。

例子：

(a)北極海冰的縮減限制了北極熊的活動和捕獵空間，直接威脅牠們的生存條件。國際自然保護聯盟預料在未來四十年，北極熊的數量很可能會減少三成以上ⁱⁱⁱ。

(b)南極洲沿岸海域的海溫變暖，不利阿德利企鵝撫養幼鳥。有研究推算南極洲阿德利企鵝群落到本世紀末可能減少約六成^iv。

(c)布蘭堡礁裸尾鼠的生境因海平面上升被淹浸，成為第一種因氣候變化而在大堡礁絕跡的哺乳動物。

(d)海溫上升會促使珊瑚驅走其組織內的共生藻，珊瑚因而變白。白化中的珊瑚會變得脆弱而容易生病，甚至死亡。人類活動排放的二氧化碳有大約30%被海洋吸收，造成海洋酸化，影響珊瑚生長。珊瑚死亡會使大量海洋物種失去生境或覓食的地方，打亂海洋的食物鏈及生態系統。聯合國教科文組織估計除非二氧化碳排放量大幅減少，否則所有屬於世界遺產的珊瑚礁可能在2100年之前消失。

(e)濕地孕育大量物種，但海平面上升可能會淹沒濕地，摧毀這些物種的生境。

(f)高溫和乾旱會提高野火發生的機會，有研究指出全球火險季節越來越長。假如樹林被燒毀，很多物種會失去生境。此外，森林面對更高的蟲害風險。