Claude Allègre met en doute l'origine humaine du réchauffement climatique. Un exemple en est donné par ses déclarations du 21 septembre 2006 dans la chronique hebdomadaire qu'il tient dans le magazine L'Express, déclarations qui ont fait naître une polémique. Il y écrit que la cause de la modification climatique contemporaine reste incertaine et n'est pas forcément due à l'activité humaine. Il stigmatise simultanément « l’écologie de l'impuissance protestataire [qui] est devenue un business très lucratif pour quelques-uns ! ». Il précise, dans une seconde chronique du 5 octobre 2006, que selon lui, au sein des changements climatiques, la hausse globale des températures n'est pas le phénomène essentiel, en comparaison avec les impacts plus graves liés à l’augmentation de la fréquence des phénomènes extrêmes.
Par ailleurs, Claude Allègre a critiqué l’inscription du principe de précaution sous sa forme actuelle dans la Constitution, car son flou est selon lui une entrave à la recherche ; dans Ma Vérité sur la planète, il écrit : « Le principe de précaution, c’est l’arme contre le progrès ».
Il a pris position contre l'instauration d'une taxe carbone, y voyant « une initiative catastrophique pour notre pays ». « Elle serait inutile climatiquement, injuste socialement, nuisible économiquement ».
Il s'oppose régulièrement, de manière vive et polémique, à Nicolas Hulot, et le qualifie d'"imbécile" et de "nul complet".
Au sein des controverses sur le réchauffement climatique, la position qu'il défend est très minoritaire, en particulier chez les climatologues, et ses prises de position ont suscité de très vives réactions, notamment chez des scientifiques réputés. La grande majorité des experts du GIEC considère que le réchauffement climatique est causé principalement par les activités humaines. En réaction aux prises de positions d'Allègre, certains défenseurs du GIEC ont ainsi critiqué explicitement ses arguments. Le biologiste Pierre-Henri Gouyon parle de « négationnisme écologique ». Pierre Joliot-Curie, biologiste, affirme pour sa part : « la défense de thèses apparemment révolutionnaires est une manière trop facile de conforter sa popularité. L'attitude de Claude Allègre vis-à-vis du changement climatique me paraît de ce point de vue inadmissible ». D'autres scientifiques soutiennent, parfois partiellement, Claude Allègre. Ainsi, lors d'une séance de l'Académie des sciences en mars 2007 ses arguments ont été défendus par ses collègues géophysiciens de l'IPGP Jean-Louis Le Mouël et Vincent Courtillot, membres de l'Académie des sciences. Ces derniers ont été vivement critiqués par deux autres académiciens des sciences, spécialistes du climat, Hervé Le Treut et Édouard Bard (professeur au Collège de France).
Dans L'Imposture climatique, un ouvrage d'entretiens avec le journaliste Dominique de Montvalon, Claude Allègre formule de graves accusations contre les climatologues, et tout particulièrement le GIEC. Il intitule cette institution « Groupement international pour l'étude du climat » (il s'agit en réalité du « Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat ») et évoque à son sujet un « système mafieux » ayant conspiré pour faire passer aux yeux de l'ensemble du monde un « mythe » pour un fait scientifique.
Le livre trouve un large écho dans les médias, des articles de presse sont critiques, comme celui du journaliste du Monde Stéphane Foucart qui l'accuse de contenir « de nombreuses approximations et erreurs factuelles à même de tromper le public ». Jean-Louis Fellous, ancien responsable des programmes d'observation de la Terre du CNES et ancien directeur des recherches océaniques de l'Ifremer, considère que le livre contient des « mensonges ». Le paléo-climatologue Håkan Grudd accuse également Claude Allègre d'avoir falsifié dans son ouvrage l'une de ses courbes de reconstitution de la température.
Le mercredi 7 avril 2010, 600 chercheurs en sciences du climat ont publié un courrier de protestation contre, entre autres, l'ouvrage de Claude Allègre, dans lequel ils relèvent de nombreuses erreurs factuelles et des dénigrements.