Zmes plynov, ktorá obklopuje Zem, sa nazýva atmosféra. Rozlišuje sa v nej niekoľko koncentricky usporiadaných vrstiev, ktoré smerom od zemského povrchu nasledujú za sebou takto: troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra a exosféra. Výrazná vrstvovitá štruktúra atmosféry je podmienená najmä osobitosťami vo vertikálnom rozdelení teploty, chemického zloženia statických a dynamických charakteristík ionizácie.

Troposféra obsahuje asi 80% všetkej hmoty atmosféry. Jej hrúbka nie je nad všade rovnaká. Nad pólmi dosahuje 8-10 km, v miernych šírkach 10-12 km a nad rovníkom 16-18 km. V zime leží horná hranica troposféry nižšie ako v lete. Teplota v troposfére klesá s výškou o 0,65 °C na 100 m, čiže v priemere o 6 °C na 1 km. Na hornej hranici troposféry sa teplota pohybuje nad rovníkom medzi –75 až –80 °C, nad pólmi okolo –50 °C. V troposfére sa horizontálne a vertikálne premiestňujú vzduchové hmoty, je tu najväčšie množstvo vodných pár a prebieha v nej všeobecná cirkulácia ovzdušia určujúca javy počasia.

Stratosféra siaha do výšky 50-55 km nad zemský povrch. V spodnej časti teploty so stúpajúcou výškou ostávajú približne rovnaké. Nad výškou 25-30 km teplota začína stúpať najmä pre väčší obsah ozónu.

Mezosféra siaha do výšky okolo 80-85 km. Teploty v nej opäť klesajú so stúpajúcou výškou. Za jej hranicou (nad 90 km) sa nachádza termosféra, kde teplota so stúpajúcou výškou rastie. Vo výške okolo 300 km dosahuje až 1500 °C a vo väčších výškach sa už nemení. Vzhľadom na rozmery Zeme je celá atmosféra len jej tenkou vrstvou. V exosfére, jej hornej časti, vznikajú podmienky pre únik častíc atmosféry do medziplanetárneho priestoru. Časť vrchnej atmosféry, kde je vzduch značne ionizovaný, sa nazýva ionosféra. Rozprestiera sa približne vo výške 50-1000 km. Vzhľadom na meniacu sa koncentráciu častíc
je vrstvovitá. V ionosfére vzniká polárna žiara, ionosferické poruchy majú vplyv na šírenie rádiových signálov. Atmosféra je k Zemi pripútaná zemskou gravitáciou a rotuje spolu so zemským telesom. Zemská gravitácia vplýva aj na usporiadanie plynov v atmosfére podľa ich hustoty. Podľa predpokladov mali kedysi jednotlivé planéty našej slnečnej sústavy veľmi podobné atmosféry. Dnes sa však atmosféra Zeme od atmosfér ostatných planét líši, v prvom rade najmä veľkým množstvom voľného kyslíka. Tento rozdiel vznikol vplyvom geochemických a geologických procesov prebiehajúcich v tuhom zemskom telese.