Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité. Un modèle climatique vise ainsi à représenter le climat et son évolution. Comme le climat est complexe, les modèles climatiques peuvent prendre en compte un nombre fixé de variables et donc se rapprocher plus ou moins de la réalité. Mais la prise en compte d'un grand nombre de phénomènes rallonge le temps de calcul.
Les modèles climatiques sont ensuite testés sur les climats connus des dernières décennies pour voir s'ils sont efficaces en termes de prévisions. Ils sont améliorés, puis utilisés pour estimer les variations futures.
L'établissement d'un modèle climatique comporte plusieurs étapes. Les scientifiques réalisent d'abord des observations (directes et indirectes) et appliquent ensuite les lois fondamentales de physique, chimie, biologie et mathématiques connues. Ils étudient des portions de la planète Terre découpée en grille à volume défini pour plus de simplicité. De nombreux supercalculateurs permettent d'établir un modèle qui est ensuite comparé aux observations afin d'être amélioré et donc plus précis.
Les modèles peuvent être utilisés à différentes échelles de temps (court, moyen ou long terme) et d'espace (région, pays, monde, etc.).
Il existe beaucoup de modèles climatiques indépendants, chacun prenant en compte des données multiples et variées, comme le modèle atmosphérique ARPEGE-Climat. C'est un modèle numérique qui a été développé par le Centre national de recherches météorologiques et le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme.

Lors de la simulation du climat, les modèles calculent un ajustement entre l'énergie reçue et perdue par la Terre. Si, lors de la réalisation du modèle ou des mesures, une erreur est commise sur les flux de chaleur océaniques ou continentaux, elle se traduit directement par un écart entre la température de surface simulée par le modèle et la température mesurée effectivement. Ces erreurs, alors fréquentes au XX^e siècle, conduisaient à la nécessité d'appliquer de nombreuses corrections aux modèles climatiques pour éviter ces écarts.
Désormais, les modèles actuels sont beaucoup plus performants, et ne nécessitent plus (ou très peu) l'application de corrections, ce qui illustre bien les progrès réalisés. Ces modèles sont donc d'excellents outils de modélisation et de prévision du climat.