按基本特性地球大气分为若干层，但地球大气本身是一个整体，各层是密切相关的，不存在绝对的界限。

按照不同的特性，可以有不同的分层方法。比较常见的几种分层法是：①根据热状态的特征。大气分为对流层、平流层、中间层、热层和外层。②根据大气成分随高度分布的特征。分为均匀层和非均匀层。③根据大气的电离特征。分为电离层和非电离层。电离层又可细分为D层、E层和F层。

对流层是对流运动最显著的大气区域。其范围从地面向上，在极区约10千米，在赤道地区可达15千米或更高。对流层上界称为对流层顶。对流层内气温随高度的增加而下降，平均气温的递减率约为每千米6℃。平流层是从对流层顶向上至约50千米之间的区域。在平流层，气温随高度增加而增加，增温是由于臭氧（O₃）吸收太阳近紫外辐射对大气加热的结果。由于O₃吸收太阳紫外辐射使大气加热，水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、O₃的红外辐射冷却使大气降温，两者相互作用所建立的热平衡，决定了平流层内的温度垂直分布情况。平流层内大气的垂直对流很弱，主要是水平气流，其平均速度达120千米／小时。

臭氧层是平流层中的一个层次。大气中的氧分子被太阳辐射光化分解后，所产生的氧原子又与周围氧分子结合，生成臭氧。从10千米高度开始，大气中的臭氧含量显著增加，其最大值在20～25千米，到50千米高度，臭氧的含量已较少。臭氧是平流层温度分布的决定因素。它对中间层的热状态也有一定的影响。

高层大气各层的主要特性如下。

从平流层顶到约85千米（中间层顶）之间的区域。中间层的气温是随高度增大而递减的，在中间层顶，温度降至最低。在此层内，氧气（O₂）吸收太阳辐射而使大气加热，二氧化碳（CO₂）红外辐射冷却则使大气降温，这两方面的作用决定了温度的垂直结构。此外，行星波、内重力波（包括大气潮汐）和湍流热传导等动力加热，在极光带附近还有高能粒子沉降加热，对气温也有一些影响。同平流层一样，中间层内在北半球夏季盛行东风，冬季为西风，最大风速在中纬地区60千米高度附近达100米／秒。在中间层内，大气中某些成分发生分解、电离、复合及其他各种光化反应，发生各种发光现象，如气辉和极光。平流层和中间层合起来，又称中层大气。

中间层顶以上为热层。从热层底部向上，大气温度迅速增加。其原因是这里的大气几乎吸收了波长短于1750埃的全部太阳紫外辐射，而辐射冷却源（H₂O、CO₂）已极少了。确定热层内温度垂直分布时，必须考虑气辉的能量辐射损失和热层底部大气中氧原子的红外辐射的冷却作用。其他的热源还有电离层电流（包括极区电急流）的焦耳加热，低层大气通过各种波动向上输运的能量，及磁层向下输运的能量。在极区，太阳粒子辐射的加热，可超过紫外辐射的作用。因此，热层内的热量收支十分复杂。由于太阳远紫外辐射随太阳活动的变化较大，故热层温度结构也受太阳活动的支配，而且有明显的昼夜变化。温度梯度消失的高度称为热层顶，其高度在300～500千米，但它随太阳活动有很大变化，很难确切地指出这一高度的位置。

热层顶以上为外逸层或外层大气，其温度常高于1000开尔文。由于其间气体分子的自由程大，热传导快，可以近似地认为这里的大气是等温的。外层大气极稀薄，粒子间相互碰撞可以忽略，已不能再把它看作是连续流体，而只是一个个自由运动粒子的组合体。在地球引力场中，中性粒子的运动轨迹是圆锥曲线，其中速度较大的粒子，有可能摆脱引力而飞离地球。外层中，大气的主要成分是氢和氦，这些粒子能散射太阳的某些紫外波段辐射，从而形成了包围地球的暗淡紫外辉光，称为地冕。在外层的较高处，电离的氢原子成为主要成分的区域，称为质子层。1万千米以上，又有内、外辐射带，在这些区域内，必须考虑带电粒子在地磁场作用下的各种过程。

从地面到约90千米的空间，由于大气温度、气压、数密度的不均匀分布所产生的对流、湍流等混合作用，使得大气各成分所占的体积百分比保持不变，称为均匀层。均匀层大气的平均分子量为28.966克／摩尔，为常数。

约90千米以上，由于氧分子的光化分解，以及重力扩散作用，使大气成分的体积百分比随高度而变，平均分子量不再是常数，即为非均匀层。在约100千米或稍高处，大气的分子重力扩散与湍流混合强度达到同样量级，该高度被称为湍流层顶。湍流层顶以上，大气服从重力扩散平衡分布。

从60千米开始，一直到大气层的上界，都存在有电子、正离子和少量的负离子。在数百千米高度以下，根据电子密度随高度分布，通常分为D层、E层和F层（F层白天分为F1层和F2层）。电离层有较大的昼夜、季节、太阳活动和经纬度的变化。通常在夜间E层已很难观测到，而D层则完全消失。