Avec le protocole de Kyoto, adopté le 11 décembre 1997, les négociations climatiques débouchent pour la première fois sur des objectifs chiffrés de réduction des émissions juridiquement contraignants pour une partie des pays industrialisés. Il s’appuie sur l’idée que les pays développés portent une responsabilité historique particulière dans l’accumulation des émissions. Le premier engagement collectif prévoit une réduction moyenne d’au moins 5 % par rapport au niveau de 1990 pour la période 2008-2012, avec des objectifs différenciés entre pays concernés. Le texte n’entre en vigueur qu’en février 2005, après un long processus de ratification.
Pour rendre les engagements moins coûteux, Kyoto prévoit plusieurs mécanismes de coopération, dont des instruments fondés sur les échanges de droits d’émission. Le commerce international de quotas permet à certains acteurs d’échanger des unités d’émission, tandis que des mécanismes de projets encouragent des réductions dans différents pays. L’Union européenne participe activement au dispositif, mais les États-Unis, alors parmi les principaux émetteurs mondiaux, signent le protocole sans le ratifier. Les grandes économies émergentes, dont la Chine et l’Inde, ne sont pas soumises aux mêmes objectifs quantifiés que les pays industrialisés au titre de la première période.
Les difficultés de Kyoto tiennent à la fois à son architecture et à la configuration géopolitique de l’époque. Les États-Unis signent le protocole mais ne le ratifient pas ; plusieurs grands pays émergents ne disposent pas des mêmes obligations de réduction que les pays industrialisés concernés. Les mécanismes de flexibilité tentent de limiter les coûts, sans dissiper les controverses sur l’efficacité et l’équité du dispositif. Le traité constitue une innovation juridique importante, mais sa portée partielle encourage progressivement la recherche d’un accord associant l’ensemble des États selon des engagements différenciés.