气候变化是指气候状态随时间发生的变化，具有一段延伸期，通常为几十年或更长时间。气候变化与陆地生态系统相互作用主要通过生物物理过程和生物地球化学循环两条错综复杂的途径发生，生物物理过程反映了陆地生态系统与大气之间的辐射、热量、水和动量交换；生物地球化学循环是指植物或土壤中碳、氮、硫等元素在无机和有机形态之间的转化过程，与二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、一氧化二氮（N₂O）等温室气体的产生和消耗以及气溶胶的形成密切相关。陆地生态系统与气候系统处于动态平衡过程之中，一个系统发生变化会引发另一系统的响应，后者又将反馈到前者，如此往复循环。例如，不同的生态系统类型通过改变地表反射率、蒸发散、地表粗糙度等影响生态系统与大气之间的物质（如水和二氧化碳等）和能量（如太阳辐射、动量和热量等）交换来影响气候及其变化，改变的气候又通过二者之间的物质和能量的交换作用对生态系统的结构和功能产生影响，最终可能导致生态系统类型的变化。这些过程的作用，或者使气候变化幅度增大(正反馈），或者使其减小(负反馈）。

气候变化将改变辐射、温度和降水等气候要素的时空分布，导致动植物生境发生变化，进而影响陆地生态系统的地理分布、物候、组成、结构、生态系统生产力等。例如，改变物种组成和分布、群落结构和演替过程，改变物候，影响森林植被的生长期和生产力，加速荒漠化、湿地萎缩和草场退化，增加濒危物种等。所有观测证据表明，陆地生态系统正在受到区域气候变化的影响，特别是温度升高的影响。观测到的主要影响包括，树叶发芽、鸟类迁徙和产卵等春季特有现象出现时间提前；动植物物种的地理分布朝两极和高海拔地区推移；许多区域春季已出现植被“返青”提前的趋势，这与气候变暖而使生长季延长有关。气候变暖使北半球气候带普遍北移，中国陆地生态系统格局在近十几年内的变化总体趋势是北方荒漠化仍在继续增加；北方地区草地呈现减少的趋势，气候变暖将使中国北方牧区的各类草原界限东移；热带亚热带森林增加，温带森林和北方森林显著减少；中国北部和东北部农田增加，东部和东南沿海农田急剧减少，气候变暖将增加各地的热量资源，使作物潜在生长季延长，多熟种植北界北移。

大气环流模式、全球生态系统模型和卫星遥感观测证实了生态系统的变化可在局地、区域至全球各种尺度上对气候产生作用，是影响气候变化的重要因素，陆地生态系统格局、动态和功能的变化深刻影响着全球气候变化的时程和跨度。森林和草地通过光合作用固碳释氧，调节大气碳素含量，改善气候变暖的程度；湿地调节和涵养流域水资源的质和量，但同时是甲烷的主要排放源；微生物作为生态系统的终极分解者，使有机质中的碳素重新矿化，分解产物中的二氧化碳回归大气，进入又一轮生态循环，同时参与和影响着全球气候变化进程；这些都是陆地生态系统影响气候的具体范例。关于近百年陆地生态系统对气候变暖反馈作用的模型研究，大部分结果显示为负反馈，即生态系统的变化，主要通过生态系统碳存储，抑制升温。但这些模型大多忽略了一些重要过程，例如高纬度森林向北扩展后的地表反照率降低和林火干扰增加，而这些过程将对气候变暖产生正反馈效应。由于地球系统中许多过程都不是独立发生的，各过程的影响总是由于其他机制的作用而被放大或者削弱，再加上人类活动的影响，使得陆地生态系统对气候变化的反馈趋于复杂。