气候变化对植物种的丰富度、分布格局、种间关系、物候、光合作用等会产生深刻影响，并增加外来物种入侵、本地物种灭绝的风险。例如，20世纪最后10年，随着气温的升高，荷兰的维管束植物中喜热植物种类增加。气候变暖会导致部分植物生长季延长、开花提前、生长加速，扰乱原有的中间关系等。气候变化对植物多样性影响最大的地区是那些物种的栖息地相对固定、物种无法迁移的地区，因此种群较小且栖息地破碎的物种，或者呈岛屿型分布的物种对气候变化相对更加脆弱。

气温对一些爬行与两栖类动物的孵化结果具有决定性的影响，孵化温度可以决定后代的性别。如对某些海龟来说，当孵化温度大于29℃时，孵化出的多数幼龟为雌性，当孵化温度小于27℃时，孵化出的多数幼龟为雄性。对扬子鳄来说，孵化温度为28.5℃时，孵出的幼鳄皆为雌性，孵化温度为33.5-35℃时，孵出的幼鳄皆为雄性。这就是说，在气温持续升高的大背景下，某些龟类和鳄鱼可能面临着灭绝的威胁。一些共生、寄生以及食物链上的物种，由于各个物种对温度的敏感性不同，可能会紊乱长期进化形成的种间关系。

气候变化还会引起物种向低温方向移动。北半球很多地方都有过报道，蝴蝶、部分鸟类和哺乳动物都呈现北移趋势，欧洲候鸟和留鸟丰富度因为气温升高而发生改变。气候变化带来的干旱胁迫能够改变害虫与寄主之间的关系，并使害虫向高纬度和高海拔迁移，从而增加植被虫害的传染率。气候变化还会引起有害生物泛滥，害虫和疾病爆发强度和频率增加。如气候变化引起的病害加剧，一度使北美的两栖类物种趋于灭绝。北欧和美国很多鸟类，自20世纪中期以来，产卵、孵化和迁徙都出现了提前。

气候变化还会导致生态系统结构、功能以及多样性发生改变。例如，降水时空格局的变化，使得20世纪70年代美国奇瓦瓦荒漠木本灌丛密度增加了3倍，以前常见动物数量减少，稀有动物数量增加。另外，气温升高使高纬度陆地生态系统植物生产力增加，生态系统碳氮循环过程改变。自然条件交错带是对气候变化最为敏感的区域之一，如中国长白山脉半苔原过渡带变宽，五台山高山草甸和林线过渡带中一些植物向高海拔迁移。北方森林以每升温1℃按100-150千米速度向北扩展，全球变暖使生态系统整体向两极和高海拔区域移动。冻原中草本和地衣植物丰富度改变，从而改变了生态系统的结构、组成、功能和服务。

据预测，未来的气候变化将导致海洋生态系统结构与功能发生改变。如海水温度上升、冰盖减小，盐度、氧气改变，海洋生物分布和物候发生改变，高纬度海洋中藻类、浮游生物和鱼类都向极地方向迁移，海洋生态系统的生物丰富度、群落结构、服务能力等都将发生变化。根据IPCC的报告，如全球温度升高1℃，全球珊瑚礁将普遍白化，海平面上升将导致沿海湿地被淹没，估计到2080年，20%的湿地将丧失，红树林生态系统将受到较大影响。气候变化还将对海洋浮游生物造成较大的影响，尤其是极地生态系统。许多海洋和淡水生物物候与分布也伴随水温增加、冰盖变化、氧气含量和环流变化而改变，海藻、浮游生物和鱼类在范围和丰富性方面向极地方向迁移。

气候变化还会影响自然保护区生物多样性保护功能的发挥，并使未来保护地的生物多样性保护面临巨大的压力和挑战。气候变化导致一些物种为寻找新的适宜栖息地而不断迁徙，有些物种甚至迁徙到保护区外的栖息地上，致使这些物种在保护区内消失，将不利于保护区对这些物种的有效保护，气候变化还可能使保护区的边界变得不再合适，原有的管理不再有效。

气候变化还会造成极端气候事件发生频率增加，如暴风雪、洪涝、干旱等天气，使得动植物受损与生态系统破坏。火灾发生频率的增加，也会对生态系统造成毁灭性的破坏。