Las regiones de la tundra de la Tierra son duras y remotas, por lo que se han asentado allí menos seres humanos que en otros entornos. Sin embargo, los humanos tienen una larga historia en la tundra. Por ejemplo, los primeros pueblos que llegaron a América del Norte desde Asia hace más de 20.000 años atravesaron vastos entornos de tundra en ambos continentes. Desde entonces, la actividad humana en los ecosistemas de la tundra ha aumentado, principalmente mediante la obtención de alimentos y materiales de construcción. El hombre ha modificado el paisaje con la construcción de viviendas y otras estructuras, así como con el desarrollo de estaciones de esquí, minas y carreteras. La caza, la extracción de petróleo y otras actividades han contaminado el medio ambiente y han amenazado la vida silvestre en los ecosistemas de la tundra. A los científicos medioambientales les preocupa que la continua expansión de estas actividades -junto con la liberación de contaminantes atmosféricos, algunos de los cuales agotan la capa de ozono, y de gases de efecto invernadero, que aceleran el cambio climático- haya empezado a afectar a la propia integridad y sostenibilidad de los ecosistemas de la tundra ártica y alpina. Por ejemplo, el aumento de los incendios en la tundra disminuiría la cobertura de líquenes, lo que podría, a su vez, reducir potencialmente los hábitats del caribú y los recursos de subsistencia de otras especies del Ártico.
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Los efectos del cambio climático en las regiones de la tundra han recibido una gran atención por parte de los científicos, así como de los responsables políticos y del público. Esta atención se debe en parte a la gran sensibilidad de la tundra a la tendencia general del calentamiento global. Mientras que la temperatura media del aire en la superficie del planeta ha aumentado aproximadamente 0,9 °C desde 1900, la temperatura media del aire en la superficie del Ártico ha aumentado 3,5 °C durante el mismo periodo. Muchas partes de la región han experimentado varios años consecutivos de calor invernal récord desde finales del siglo XX. En algunos lugares, este calor invernal récord no ha tenido precedentes; las temperaturas medias invernales de tres meses en el archipiélago noruego de Svalbard en 2016 fueron 8-11 °C (14,4-19,8 °F) más altas que la media de 1961-90. La mayoría de los climatólogos coinciden en que esta tendencia al calentamiento continuará, y algunos modelos predicen que las zonas terrestres de alta latitud serán 7-8 °C (12,6-14,4 °F) más cálidas a finales del siglo XXI que en la década de 1950.
El calentamiento global ya ha producido cambios detectables en los ecosistemas de la tundra ártica y alpina. Estos ecosistemas están siendo invadidos por especies arbóreas que migran hacia el norte desde el cinturón forestal, y las zonas costeras se están viendo afectadas por la subida del nivel del mar. Ambos fenómenos están reduciendo la extensión geográfica de la tundra ártica. Otros cambios que se están produciendo tanto en la tundra ártica como en la alpina son el aumento de la densidad de los arbustos, el adelanto del deshielo en primavera y el retraso de la congelación en otoño, la disminución de los hábitats de los animales autóctonos y la aceleración de la descomposición de la materia orgánica en el suelo. De hecho, estos procesos pueden contribuir a un mayor calentamiento en la tundra que en otras regiones. Por ejemplo, los climatólogos señalan que las superficies más oscuras de las coníferas verdes y las zonas sin hielo reducen el albedo (reflectancia de la superficie) de la superficie de la Tierra y absorben más radiación solar que la nieve y el hielo de color más claro, lo que aumenta la tasa de calentamiento.
Uno de los cambios en curso más llamativos en el Ártico es el rápido deshielo del mar. Algunos modelos climáticos predicen que, en algún momento de la primera mitad del siglo XXI, el hielo marino de verano desaparecerá del Océano Ártico. La ausencia de hielo de verano amplificaría la tendencia al calentamiento existente en las regiones de la tundra ártica, así como en las regiones más allá de la tundra, porque el hielo marino refleja la luz solar mucho más fácilmente que el océano abierto y, por tanto, tiene un efecto de enfriamiento en la atmósfera. Además, las investigaciones indican que el retroceso del hielo marino aumentaría la productividad de la vegetación de la tundra, y la consiguiente acumulación de biomasa vegetal podría dar lugar a acontecimientos más extremos, como grandes incendios en la tundra. Por último, un océano Ártico sin hielo mejoraría el acceso a las altas latitudes septentrionales para las actividades recreativas e industriales; esto probablemente supondría un estrés adicional para las plantas y los animales de la tundra, así como comprometería la resistencia del propio ecosistema de la tundra. También en las tundras alpinas, el calentamiento del clima podría fomentar una mayor actividad humana y aumentar los daños a las poblaciones de plantas y animales de la zona.
El destino del permafrost en un mundo más cálido es una cuestión especialmente importante. En conjunto, la tundra y la taiga representan aproximadamente un tercio del almacenamiento mundial de carbono en el suelo, y una gran parte de este carbono está ligado al permafrost en forma de materia orgánica muerta. Parte de esta materia orgánica se ha conservado durante muchos miles de años, no porque sea intrínsecamente difícil de descomponer, sino porque la tierra ha permanecido congelada. La descongelación del permafrost expondría la materia orgánica a la descomposición microbiana, que liberaría carbono a la atmósfera en forma de CO2 y metano (CH4). Las tasas de descomposición microbiana son mucho más bajas en condiciones anaeróbicas, que liberan CH4, que en condiciones aeróbicas, que producen CO2; sin embargo, el CH4 tiene aproximadamente 25 veces el potencial de calentamiento de efecto invernadero del CO2. El Ártico ha sido un sumidero neto (o depósito) de CO2 atmosférico desde el final de la última edad de hielo. Al mismo tiempo, sin embargo, la región ha sido una fuente neta de CH4 atmosférico, principalmente debido a la abundancia de humedales en la región.
Existen muchos otros factores que afectan al intercambio de compuestos que contienen carbono entre la tundra y la atmósfera. Los incendios en la tundra liberan CO2 a la atmósfera, y hay pruebas de que el calentamiento del clima en las últimas décadas ha aumentado la frecuencia y la gravedad de las quemas en la tundra en el Ártico. Por el contrario, la mayor productividad de las plantas resultante de una estación de crecimiento más larga y cálida podría compensar parte de las emisiones de carbono procedentes del deshielo del permafrost y de los incendios de la tundra. De hecho, los ecologistas y los científicos del clima señalan que existe una gran incertidumbre sobre el futuro del ciclo del carbono en el Ártico durante el siglo XXI. Sin embargo, les preocupa que una transferencia neta de gases de efecto invernadero de los ecosistemas de la tundra a la atmósfera tenga el potencial de exacerbar los cambios en el clima de la Tierra a través de un bucle de retroalimentación positiva, en el que pequeños aumentos de la temperatura del aire en la superficie desencadenan una cadena de eventos que conducen a un mayor calentamiento.
