1990年10月举行的第二届世界气候大会的部长宣言呼吁立即就气候变化框架公约展开谈判。1990年12月联合国大会通过的第45/212号决议，决定成立由联合国全体会员国参加的气候变化“政府间谈判委员会”，于1991年2月开始谈判制定联合国气候变化条约。中国由外交部、国家计委、国家科委、财政部、电力部（能源部）、国家环保局、国家气象局等部门组成代表团参加了会议。历经5轮谈判，于1992年5月9日在纽约达成了《联合国气候变化框架公约》（下称气候公约）。

依据气候公约第一次缔约方会议第一号决议（又称“柏林授权”）关于审查发达国家在气候公约下承担的温室气体减排义务是否充分，成立了柏林授权特设工作组。经过1996年和1997年共6轮谈判，于1997年12月在日本京都召开的气候公约第三次缔约方会议上达成了《京都议定书》，规定了发达国家在第一承诺期（2008年至2012年）内应在1990年基础上减少5.2％的温室气体排放量，具有里程碑意义。

同一时期，IPCC在1990年发布了第一次气候变化评估报告，对气候变化的成因进行了科学评估；1992年发布了气候变化评估补充报告；1995年发布了气候变化第二次评估报告，确定了气候变化的社会经济影响为新的主题。

中国在这一阶段的主要目标是推进全球保护气候进程，并保障自身和发展中国家整体发展权益不受损害。为此，中国促成气候变化框架公约确立了著名的发达国家和发展中国家之间对气候变化负有“共同但有区别的责任”这一基本指导原则，这一原则后来成为中国和其他发展中国家维护自身发展权的基石。

这一期间国内应对气候变化的具体行动，主要是开展科学技术研究、制定相关的政策和计划、开展机构和人员能力建设等。国家开始把气候变化纳入科技攻关计划，支持了气候变化的成因与模拟、气候变化的影响与适应、温室气体排放清单编制、减排温室气体的技术经济方案、未来温室气体排放情景模拟、大气温室气体本底监测等方面的研究。通过实施科技计划，培养造就了一支老中青结合的专家队伍。

特别是1994年国务院批准成立了国家气候中心，并在1995年1月正式挂牌运行，成为国内最早从事气候和气候变化研究的专门机构。此外，1995年国务院批准把包括应对气候变化在内的可持续发展作为国家发展战略，是最早一份把应对气候变化纳入中央政府政策框架的文件。