天空是室外场景的重要背景成分，其主要物质是大气。光线穿越大气层时与大气粒子交互作用而形成不同的天空景观。天空的模拟主要包括以下两部分：一是不同大气条件下，天空光和太阳光的模型建立及模拟；二是不同时刻的天空场景，包括有月亮和星星的夜晚天空的模拟。

太阳对大气的照射形成了天空光，早期图形学系统中天空光模型用均匀的蓝色来表示天空的颜色，或者简单设置两种颜色，如天顶的蓝色和地平线的白色，中间部分由插值计算得到。另一种直接的方法是使用测量到的数据对天空光进行模拟。与此同时，许多图形学工作者采用物理学理论建立模型模拟天空光。当太阳光穿过大气层时，大气将会对光吸收和散射，不同波长的光线散射强度与介质微粒的大小有关，波长越短散射越强烈。根据粒子的半径不同，其散射方式可分为瑞利（Rayleigh）散射、米（Mie）散射和无选择散射，影响散射效果的主要因素包括光线散射后的偏转角度和介质粒子对光的吸收作用。

在白天天空场景绘制中，太阳光是主要的光源。在模拟过程中将太阳光线近似看成是平行光，然后将大气密度、折射系数等用函数隐含表示，通过直接在光路上进行线积分来计算散射光强度。夜晚天空场景的绘制主要是绘制月亮和星星。月亮是一个弱反射源，根据Hapke/Lommel Seeliger月亮模型可以计算出月亮反射的光线强度，再根据大气散射理论计算月亮反射光进入人眼的光强度；对于夜空中的星星，所能看到的一般是能自发光的恒星及太阳系的极大行星，由于星星的距离较远，一般视为点光源，首先根据恒星发光强度计算公式获得恒星发出的光线强度，再计算星星发出的光经过大气折射、散射最后到达人眼的光强，并转化为RGB颜色，从而绘制出夜晚繁星满天的天空场景。

当太阳光与大气分子或水分子交互时，因发生折射、前向散射和后向散射等，还将会产生奇特的自然景象，如海市蜃楼、宝光、彩虹等。