1997年制定《京都議定書》后，聯合國氣候變化工作的重心轉移到推進《京都議定書》的實施，1998年啟動了《京都議定書》實施細則的談判，包括4個部分。第一是遵約規則。第二是發達國家利用境外機制完成溫室氣體減排義務的談判，即《京都議定書》第六條規定的“聯合履行”、第十二條規定的“清潔發展機制”（Clean Development Mechanism，簡稱CDM）和第十七條規定的“排放貿易”規則的談判，俗稱“三機制談判”。第三是資金機制、技術轉讓和能力建設方面的談判。

第四是關于溫室氣體排放核算方法及核定發達國家基準年溫室氣體排放量等技術性問題，其中最重要的是土地利用、土地利用變化及林業（Land use, land-use change, and forestry，簡稱LULUCF）。另外，還包括國際航空和國際航海排放的減排等重要議題。2001年底在摩洛哥馬拉喀什召開的第七次締約方會議達成了《馬拉喀什協定》，完成了《京都議定書》實施細則的談判。

在全球絕大多數國家的積極努力下，《京都議定書》于2005年2月17日生效。2005年12月在加拿大蒙特利爾召開的聯合國氣候變化框架公約第十一次締約方會議暨京都議定書第一次締約方會議上，達成了啟動發達國家在《京都議定書》下第二承諾期減排義務的談判，會議同時決定在公約下啟動一個長期合作對話進程以提升公約現有義務的履行，其實質是討論美國和發展中國家參與減排溫室氣體。

2007年在印尼巴厘島召開的《聯合國氣候變化框架公約》締約方第十三次會議暨《京都議定書》第三次締約方會議上，達成了“巴厘行動計劃”，核心內容包括：減排溫室氣體、適應氣候變化、資金、技術轉讓及能力建設。會議決定利用兩年時間完成“巴厘行動計劃”所確定議題的談判并于2009年在丹麥哥本哈根召開的會議上就這些議題達成協議。

這一時期，IPCC于2001年通過了氣候變化第三次評估報告，包括氣候變化的自然科學基礎、氣候變化影響、適應和脆弱性、減緩氣候變化以及綜合報告。綜合報告所列出的結論后來成為了各國政府經常引用的科學依據。2007年，IPCC通過了氣候變化第四次評估報告，更新和延續了第三次評估報告四個方面的內容。

特別值得一提的是，在審查 IPCC第三次評估報告過程中，發達國家一直在推動IPCC報告能夠給出明確的由于人為溫室氣體排放導致全球氣溫上升2oC就是危險溫度的“Threshold（ 閾值）”這個結論。中國代表團以大量的科學研究事實為依據，認為這個結論缺乏科學依據。在2007年審批第四次評估報告時，仍然沒有足夠的科學依據支持2oC閾值這一結論。

在IPCC第四次評估報告通過不久，歐盟利用其主辦G8及“G8+5”會議的機會，把這個結論放入領導人宣言中，從此就有了“把全球溫升控制在2oC以內”作為保護氣候目標的說法。

這一時期，國內出臺了一系列政策和措施，并利用國際組織和相關發達國家提供的資金和技術援助，全方位開展了氣候變化國際合作，包括制定和發布一系列實施CDM項目的指導原則和規定、建立中國CDM基金及運行規章等。在開展國際合作方面，主要包括溫室氣體減排的工程示范項目、能力建設項目和CDM項目。