Động thực vật sẽ gặp khó khăn trong việc trốn tránh hoặc thích nghi với những tác động của hiện tượng nóng lên toàn cầu. Các nhà khoa học đã quan sát thấy sự thay đổi trong vòng đời của nhiều loài động thực vật, ví dụ như hoa nở sớm hơn và chim non nở sớm hơn vào mùa xuân. Nhiều loài đã bắt đầu thay đổi nơi sinh sống hoặc thay đổi mô hình di cư hàng năm do nhiệt độ ấm hơn.
Khi trái đất tiếp tục nóng lên, động vật có xu hướng di cư về phía cực và lên sườn núi đến độ cao lớn hơn. Thực vật cũng sẽ cố gắng thay đổi phạm vi phân bố, tìm kiếm những khu vực mới khi môi trường sống cũ trở nên quá nóng. Tuy nhiên, ở nhiều nơi, sự phát triển của con người sẽ ngăn cản những sự thay đổi này. Những loài vật gặp các thành phố hoặc đất nông nghiệp cản đường di chuyển về phía bắc hoặc phía nam có thể bị tuyệt chủng. Các loài sống trong các hệ sinh thái độc đáo, chẳng hạn như những loài được tìm thấy ở các vùng cực và đỉnh núi, đặc biệt có nguy cơ tuyệt chủng vì không thể di cư đến môi trường sống mới. Ví dụ, gấu Bắc Cực và động vật có vú biển ở Bắc Cực đã bị đe dọa bởi tình trạng băng biển suy giảm nhưng không có nơi nào xa hơn về phía bắc để đi.
Việc dự đoán sự tuyệt chủng của các loài do nóng lên toàn cầu là vô cùng khó khăn. Một số nhà khoa học ước tính rằng 20 đến 50 phần trăm các loài có thể bị diệt vong nếu nhiệt độ tiếp tục tăng thêm 2 đến 3 độ C. Tốc độ nóng lên, chứ không chỉ cường độ, là cực kỳ quan trọng đối với động thực vật. Một số loài và thậm chí toàn bộ hệ sinh thái, chẳng hạn như một số loại rừng nhất định, có thể không thể điều chỉnh đủ nhanh và có thể biến mất.
Các hệ sinh thái biển, đặc biệt là những hệ sinh thái mong manh như rạn san hô, cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nóng lên toàn cầu. Nhiệt độ đại dương ấm hơn có thể khiến san hô bị “tẩy trắng”, một trạng thái mà nếu kéo dài sẽ dẫn đến cái chết của san hô. Các nhà khoa học ước tính rằng ngay cả khi nhiệt độ tăng thêm 1 độ C cũng có thể dẫn đến tình trạng tẩy trắng và chết hàng loạt các rạn san hô trên khắp thế giới. Ngoài ra, lượng carbon dioxide ngày càng tăng trong khí quyển đi vào đại dương và làm tăng độ axit của nước biển. Sự axit hóa này càng gây thêm căng thẳng cho các hệ sinh thái biển.
