1990年10月舉行的第二屆世界氣候大會的部長宣言呼吁立即就氣候變化框架公約展開談判。1990年12月聯合國大會通過的第45/212號決議，決定成立由聯合國全體會員國參加的氣候變化“政府間談判委員會”，于1991年2月開始談判制定聯合國氣候變化條約。中國由外交部、國家計委、國家科委、財政部、電力部（能源部）、國家環保局、國家氣象局等部門組成代表團參加了會議。歷經5輪談判，于1992年5月9日在紐約達成了《聯合國氣候變化框架公約》（下稱氣候公約）。

依據氣候公約第一次締約方會議第一號決議（又稱“柏林授權”）關于審查發達國家在氣候公約下承擔的溫室氣體減排義務是否充分，成立了柏林授權特設工作組。經過1996年和1997年共6輪談判，于1997年12月在日本京都召開的氣候公約第三次締約方會議上達成了《京都議定書》，規定了發達國家在第一承諾期（2008年至2012年）內應在1990年基礎上減少5.2％的溫室氣體排放量，具有里程碑意義。

同一時期，IPCC在1990年發布了第一次氣候變化評估報告，對氣候變化的成因進行了科學評估；1992年發布了氣候變化評估補充報告；1995年發布了氣候變化第二次評估報告，確定了氣候變化的社會經濟影響為新的主題。

中國在這一階段的主要目標是推進全球保護氣候進程，并保障自身和發展中國家整體發展權益不受損害。為此，中國促成氣候變化框架公約確立了著名的發達國家和發展中國家之間對氣候變化負有“共同但有區別的責任”這一基本指導原則，這一原則后來成為中國和其他發展中國家維護自身發展權的基石。

這一期間國內應對氣候變化的具體行動，主要是開展科學技術研究、制定相關的政策和計劃、開展機構和人員能力建設等。國家開始把氣候變化納入科技攻關計劃，支持了氣候變化的成因與模擬、氣候變化的影響與適應、溫室氣體排放清單編制、減排溫室氣體的技術經濟方案、未來溫室氣體排放情景模擬、大氣溫室氣體本底監測等方面的研究。通過實施科技計劃，培養造就了一支老中青結合的專家隊伍。

特別是1994年國務院批準成立了國家氣候中心，并在1995年1月正式掛牌運行，成為國內最早從事氣候和氣候變化研究的專門機構。此外，1995年國務院批準把包括應對氣候變化在內的可持續發展作為國家發展戰略，是最早一份把應對氣候變化納入中央政府政策框架的文件。