2015年9月，奥巴马在联合国发表讲话称，气候变化威胁社会发展，“气候变化会影响所有国家，尤其是最为贫困的国家”。因此，他呼吁加大清洁能源的使用力度，并为发展中国家提供资金援助。他表示两个月后，全球将有机会团结达成强有力的协议。

同年12月，白宫国家安全委员会气候负责人博德纳尔接受媒体采访时透露，“奥巴马总统非常在意巴黎气候协议，他不断给各国领导人打电话，比如巴西总统和印度总理等等，博德纳尔说，美国谈判团队每天都会向奥巴马汇报谈判进展。“总统本人虽然不在巴黎，但他非常关注这里的谈判。”

2015年12月12日，法国外交部长、巴黎气候变化大会主席法比尤斯在巴黎气候变化大会上落锤，标志着巴黎气候协议的达成。奥巴马称赞巴黎气候大会达成的里程碑协议，是拯救地球免遭全球气候变化恶果的最佳机会。“美国人民今天可以感到骄傲，因为这个历史性协议是对美国领导力的认可。过去七年里，我们已将美国变成全球抗击气候变化的领袖，”奥巴马称。他表示，此项协议表明全世界立场一致便可实现成果。

当地时间2015年12月12日，美国华盛顿，美国总统奥巴马就巴黎气候大会通过新协议发表声明。

当地时间2016年3月31日，中国国家主席习近平在华盛顿会见美国总统奥巴马。双方同日发表《中美元首气候变化联合声明》，随后，中美两国于4月22日签署《巴黎协定》。

4月22日是一年一度的世界地球日，当天160多个国家的政府包括约50国的首脑齐聚联合国，签署2015年在法国巴黎达成的历史性气候协议。而美国正是这其中一员，当天美国国务卿克里签署了《巴黎协议》。在巴黎气候变化协定中，美国承诺于2025年前将温室气体排放在2005年的基础上减排26%至28%。

由于否认气候变化的共和党占据了美国参众两院的多数席位，奥巴马只好绕过国会，通过现有的行政授权来批准和实施气候协定。奥巴马政府认为，《巴黎协定》是《联合国气候变化框架公约》下的协议，而美国国会当时批准了这个公约，因此《巴黎协定》无须再提交国会批准。

奥巴马和联合国秘书长潘基文在杭州共同出席气候变化《巴黎协定》批准文书交存仪式。

2016年9月3日，习近平同奥巴马、联合国秘书长潘基文在杭州共同出席气候变化《巴黎协定》批准文书交存仪式。奥巴马在致辞中表示，今天，美中作为两个最大经济体和最大排放国，同时批准和接受《巴黎协定》具有历史性意义。

潘基文在致辞中表示，中美率先批准《巴黎协定》，将极大推动该协定于今年内生效。“联合国高度赞赏中美两国在应对气候变化挑战方面发挥的领导作用，”潘基文说道。

根据规定，《巴黎协定》生效前提是由至少55个缔约方批准、接受、核准或加入文书后三十日起生效，同时这些缔约方的温室气体排放总量至少占全球碳排放总量的55%。2016年10月5日，欧盟及其七个成员国正式向联合国递交了《巴黎协定》批准书。至此，《巴黎协定》缔约方数量达到74个，温室气体排放量占全球比重达到58.82%，满足了《巴黎协定》的生效条件。2016年11月4日，《巴黎协定》已经正式生效。

然而2016年11月13日，媒体报道称，美国当选总统特朗普的执政过渡团队成员披露，特朗普正在想办法以在就任后尽快使美国退出应对全球气候变化的《巴黎协定》。不过数日后，特朗普又表示，对美国是否退出全球应对气候变化的《巴黎协定》持“开放态度”。