Çatı bahçesi kentsel ısı adası azaltımına katkısı iki ayrı fiziksel mekanizma üzerinden gerçekleşir: yüzey yansıtıcılığının (albedo) artırılması ve evapotranspirasyona dayalı gizli ısı akışı. Bu iki mekanizma bir arada değerlendirildiğinde çatı yeşillendirme sistemleri, konvansiyonel bitümlü ya da çakıllı çatılara kıyasla yüzey sıcaklığını 30-40°C'ye kadar azaltabilir. Albedo etkisi bağlamında geleneksel koyu renkli çatı kaplamaları, güneş radyasyonunun %85-95'ini absorbe ederek yüzey sıcaklığının 70-80°C'ye ulaşmasına neden olur. Yoğun çatı bahçelerinde bitki örtüsü ve toprak tabakası, güneş enerjisinin büyük bölümünü fotosentez ve evapotranspirasyon yoluyla tüketir. Bu süreçte çatı bahçesi kentsel ısı adası aracısıyla yüzeyden atmosfere duyulur ısı akışı yerine gizli ısı akışı (latent heat) hâkim hale gelir. Evapotranspirasyon verimliliği, yoğun yeşillendirme (intensive green roof; substrat derinliği >15 cm) ile kapsamlı yeşillendirme (extensive green roof; substrat derinliği 6-15 cm) arasında belirgin farklılıklar gösterir. Kapsamlı sistemler daha düşük substrat hacmi nedeniyle nem rezervini daha hızlı tüketir ve yaz döneminin yüksek radyasyon günlerinde evapotranspirasyon katkısı azalır. Yoğun sistemler ise daha derin su kapasitesi sayesinde uzun süreli evapotranspirasyon performansı sağlar; ancak strüktürel yük kısıtlamaları bu tür uygulamalarda belirleyici sınırları çizer. Kentsel ölçekte çatı bahçesi kentsel ısı adası modellemesi, yüzey örtü türü ve bulundukları konum verisiyle beslenen enerji dengesi modelleri aracılığıyla yapılır. Bu modeller, kentsel mekânda yaygın yeşil çatı uygulamalarının yaz gündüz hava sıcaklıklarını 0,3-3°C arasında düşürebileceğini tahmin etmektedir.