1997年制定《京都议定书》后，联合国气候变化工作的重心转移到推进《京都议定书》的实施，1998年启动了《京都议定书》实施细则的谈判，包括4个部分。第一是遵约规则。第二是发达国家利用境外机制完成温室气体减排义务的谈判，即《京都议定书》第六条规定的“联合履行”、第十二条规定的“清洁发展机制”（Clean Development Mechanism，简称CDM）和第十七条规定的“排放贸易”规则的谈判，俗称“三机制谈判”。第三是资金机制、技术转让和能力建设方面的谈判。

第四是关于温室气体排放核算方法及核定发达国家基准年温室气体排放量等技术性问题，其中最重要的是土地利用、土地利用变化及林业（Land use, land-use change, and forestry，简称LULUCF）。另外，还包括国际航空和国际航海排放的减排等重要议题。2001年底在摩洛哥马拉喀什召开的第七次缔约方会议达成了《马拉喀什协定》，完成了《京都议定书》实施细则的谈判。

在全球绝大多数国家的积极努力下，《京都议定书》于2005年2月17日生效。2005年12月在加拿大蒙特利尔召开的联合国气候变化框架公约第十一次缔约方会议暨京都议定书第一次缔约方会议上，达成了启动发达国家在《京都议定书》下第二承诺期减排义务的谈判，会议同时决定在公约下启动一个长期合作对话进程以提升公约现有义务的履行，其实质是讨论美国和发展中国家参与减排温室气体。

2007年在印尼巴厘岛召开的《联合国气候变化框架公约》缔约方第十三次会议暨《京都议定书》第三次缔约方会议上，达成了“巴厘行动计划”，核心内容包括：减排温室气体、适应气候变化、资金、技术转让及能力建设。会议决定利用两年时间完成“巴厘行动计划”所确定议题的谈判并于2009年在丹麦哥本哈根召开的会议上就这些议题达成协议。

这一时期，IPCC于2001年通过了气候变化第三次评估报告，包括气候变化的自然科学基础、气候变化影响、适应和脆弱性、减缓气候变化以及综合报告。综合报告所列出的结论后来成为了各国政府经常引用的科学依据。2007年，IPCC通过了气候变化第四次评估报告，更新和延续了第三次评估报告四个方面的内容。

特别值得一提的是，在审查 IPCC第三次评估报告过程中，发达国家一直在推动IPCC报告能够给出明确的由于人为温室气体排放导致全球气温上升2ºC就是危险温度的“Threshold（ 阈值）”这个结论。中国代表团以大量的科学研究事实为依据，认为这个结论缺乏科学依据。在2007年审批第四次评估报告时，仍然没有足够的科学依据支持2ºC阈值这一结论。

在IPCC第四次评估报告通过不久，欧盟利用其主办G8及“G8+5”会议的机会，把这个结论放入领导人宣言中，从此就有了“把全球温升控制在2ºC以内”作为保护气候目标的说法。

这一时期，国内出台了一系列政策和措施，并利用国际组织和相关发达国家提供的资金和技术援助，全方位开展了气候变化国际合作，包括制定和发布一系列实施CDM项目的指导原则和规定、建立中国CDM基金及运行规章等。在开展国际合作方面，主要包括温室气体减排的工程示范项目、能力建设项目和CDM项目。