Emisi karbon dioksida (CO2) terjadi ketika karbon dioksida dilepaskan ke atmosfer, baik secara alami maupun melalui aktivitas manusia seperti pembakaran bahan bakar fosil. Karbon dioksida adalah senyawa kimia yang terdiri dari satu atom karbon dan dua atom oksigen yang ada dalam fase gas di atmosfer bumi. Atmosfer adalah rangkaian lapisan gas yang mengelilingi bumi. Gas-gas ini terikat ke planet dan dicegah dari mengambang ke luar angkasa oleh gravitasi bumi. Atmosfer terutama terdiri dari nitrogen dan oksigen, tetapi banyak gas lainnya, termasuk sejumlah kecil karbon dioksida, juga ada di atmosfer.
Namun, emisi karbon dioksida dan gas rumah kaca lainnya yang dibuat oleh manusia telah mengganggu keseimbangan ini. Gas rumah kaca adalah gas atmosfer yang memungkinkan sinar matahari melewati atmosfer untuk mencapai Bumi. Saat cahaya mengenai Bumi, sebagian dipantulkan kembali ke angkasa sebagai radiasi infra merah, atau panas. Gas rumah kaca memerangkap panas ini di atmosfer, sehingga membuat dunia lebih hangat dalam fenomena yang dikenal sebagai efek rumah kaca. Sejumlah gas rumah kaca diperlukan untuk mengendalikan iklim Bumi dan membuat planet ini cukup hangat untuk kehidupan, tetapi terlalu banyak pemanasan juga dapat mengancam kehidupan.
Proses alami terjadi yang memancarkan dan menghilangkan karbon dioksida dari atmosfer dalam pertukaran berkelanjutan yang kompleks yang dikenal sebagai siklus karbon. Proses yang bertanggung jawab atas emisi karbon dioksida disebut sumber dan proses yang menghilangkan karbon dioksida disebut sink. Sumber alami CO2 termasuk respirasi tumbuhan dan hewan, seperti pernafasan manusia, dan letusan gunung berapi. Penyerap alami termasuk fotosintesis tanaman, di mana tanaman menghilangkan karbon dioksida dari udara untuk membuat gula dan menyimpannya dalam biomassa tanaman. Lautan adalah wastafel dan sumber, dengan perairan tropis biasanya melepaskan karbon dioksida dan air laut yang lebih dingin menyerap karbon dioksida.
Dalam siklus karbon yang sehat, emisi karbon dioksida dibatalkan oleh penghilangan karbon dioksida sehingga tidak ada perubahan bersih dalam konsentrasi karbon dioksida atmosfer. Aktivitas manusia seperti produksi logam, produksi mineral, dan pembakaran bahan bakar fosil telah meningkatkan emisi karbon dioksida. Sementara itu, polusi laut dan penggundulan hutan, penebangan pohon dan tanaman lain untuk kayu, pertanian, dan pembangunan perkotaan, telah menghambat proses alami penghilangan karbon dioksida. Dalam waktu antara Revolusi Industri tahun 1700-an dan 2005, konsentrasi karbon dioksida di atmosfer naik 35%, menunjukkan bahwa sumber dalam siklus karbon telah melampaui penyerap.
Ketika bahan bakar fosil, seperti batu bara, gas, atau minyak, dibakar untuk menghasilkan energi, mereka melepaskan karbon dalam bentuk CO2. Bahan bakar fosil ini biasanya dibakar untuk menghasilkan listrik perumahan dan industri, menciptakan panas, dan memindahkan kendaraan seperti pesawat terbang, kereta api, mobil, dan kapal. Proses produksi mineral kapur, semen, dan soda abu melibatkan reaksi kimia yang mengubah bahan kimia dalam bahan baku untuk menghasilkan emisi karbon dioksida. Emisi CO2 terjadi dengan cara yang sama dalam produksi logam seperti besi, seng, dan timbal. Degradasi produk berbasis minyak bumi dan produksi bahan kimia seperti amonia juga berkontribusi terhadap emisi karbon dioksida.