應對氣候變化問題是2009年國際政治的又一熱點。作為污染排放前兩位的國家之間的合作對應對全球氣候變化顯然是必要的。2009年12月在哥本哈根召開的聯合國氣候會議上，美國總統奧巴馬和中國總理溫家寶均出席了會議，並闡述了各自在應對氣候變化問題上的立場和觀點。會議期間兩位領導人還舉行了雙邊會晤。中美兩國一致認為，在能源合作方面向綠色經濟、低碳經濟轉型十分關鍵，未來數年清潔能源產業將為兩國民眾提供大量機會。在奧巴馬訪華結束後，中美兩國幾乎在同一時間公布了各自的減排計劃。中國政府宣布控制溫室氣體排放的行動目標，到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%至45%。美國宣布，到2020年排放總量將比1995年下降17%。這是中美兩國首次宣布具體的排放目標。在哥本哈根會議上，當會議陷入困境時，中國同“基礎四國”一起同美國、歐盟協調，最終使會議通過了《哥本哈根協議》。
此外，雙方在反對大規模殺傷性武器的擴散方面也具有共同的責任。如在解決朝鮮核問題上中美之間都保持密切的合作：雙方都反對朝鮮發展核武器，進行核試驗，都主張通過六方會談以外交方式來解決這一問題。在2009年六方會談遭受挫折後，雙方都進行了外交努力，盡力促成六方會談的早日恢復。在伊朗核問題上，中美也具有相似的觀點。在2009年奧巴馬訪華期間，中美元首會談所涉及的問題，既有雙邊問題，也有全球問題，即便是雙邊問題也多與全球問題相關。中美兩國的特殊國際地位決定了在涉及全球穩定與繁榮的重大問題上，兩國加強協調有利於世界的和平、穩定與發展。在全球問題上進行多邊合作已經成為中美關係新的基石和重要合作領域。
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