探測結果表明，
地球大氣圈的頂部並沒有明顯的分界線，而是逐漸過渡到星際空間的。高層大氣稀薄的程度雖說比人造的真空還要“空”，但是在那裡確實還有氣體的微粒存在，而且比星際空間的物質密度要大得多，然而，它們已不屬於氣體分子了，而是原子及原子再分裂而產生的粒子。以80-100公里的高度為界，在這個界限以下的大氣，儘管有稠密稀薄的不同，但它們的成分大體是一致的，都是以氮和氧分子為主，這就是我們周圍的空氣。而在這個界限以上，到1000公里上下，就變得以氧為主了；再往上到2400公里上下，就以氦為主；再往上，則主要是氫；在3000公里以上，便稀薄得和星際空間的物質密度差不多了。自地球表面向上，大氣層延伸得很高，可到幾千公里的高空。根據人造衛星探測資料的推算，在2000-3000公里的高空，地球大氣密度便達到每立方厘米一個微觀粒子這一數值，和星際空間的密度非常相近，這樣2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大氣的上界。
整個地球大氣層象是一座高大的而又獨特的“樓房”，按其成分、溫度、密度等物理性質在垂直方向上的變化，世界氣象組織把這座“樓”分為五層，自下而上依次是：對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。
對流層是緊貼地面的一層，它受地面的影響最大。因為地面附近的空氣受熱上升，而位於上面的冷空氣下沉，這樣就發生了對流運動，所以把這層叫做對流層。它的下界是地面，上界因緯度和季節而不同。據觀測，在低緯度地區其上界為17-18公里；在中緯度地區為10-12公里；在高緯度地區僅為8-9公里。夏季的對流層厚度大於冬季。以南京為例，夏季的對流層厚度達17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差達6公里之多。
在對流層的頂部，直到高于海平面50-55公里的這一層，氣流運動相當平衡，而且主要以水平運動為主，故稱為平流層。
平流層之上，到高于海平面85公里高空的一層為中間層。這一層大氣中，幾乎沒有臭氮，這就使來自太陽輻射的大量紫外線白白地穿過了這一層大氣而未被吸收，所以，在這層大氣里，氣溫隨高度的增加而下降的很快，到頂部氣溫已下降到-83℃以下.由於下層氣溫比上層高,有利於空氣的垂直對流運動,故又稱之為高空對流層或上對流層.中間層頂部尚有水汽存在,可出現很薄且發光的“夜光雲”，在夏季的夜晚，高緯度地區偶爾能見到這種銀白色的夜光雲。
從中間層頂部到高出海面800公里的高空，稱為暖(熱)層，又叫電離層。這一層空氣密度很小，在700公里厚的氣層中，只含有大氣總重量的0.5％。據探測，在120公里高空，聲波已難以傳播；270公里高空，大氣密度只有地面的一百億分之一，所以在這裡即使在你耳邊開大炮，也難聽到什麼聲音。暖層里的氣溫很高，據人造衛星觀測，在300公里高度上，氣溫高達1000℃以上。所以這一層叫做暖層或者熱層。
暖層頂以上的大氣統稱為散逸層，又叫外層。它是大氣的最高層，高度最高可達到3000公里。這一層大氣的溫度也很高，空氣十分稀薄，受地球引力場的約束很弱，一些高速運動著的空氣分子可以掙脫地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空間中去。根據宇宙火箭探測資料表明，地球大氣圈之外，還有一層極其稀薄的電離氣體，其高度可伸延到22000公里的高空，稱之為地冕。地冕也就是地球大氣向宇宙空間的過渡區域。人們形象地把它比作是地球的“帽子”。
此外
，還可以把整個大氣看成是一座別致的“兩層小樓”。這種“兩層樓”的設計又是以大氣的不同特徵為根據的。第一，按著大氣的化學成分來劃分。這種劃分是以距海平面90公里的高度為界限的。在90公里高度以下，大氣是均勻地混合的，組成大氣的各種成分相對比例不隨高度而變化，這一層叫做均質層。在90公里高度以上，組成大氣的各種成分的相對比例，是隨高度的升高而發生變化的，比較輕的氣體如氧原子、氦原子、氫原子等越來越多，大氣就不再是均勻的混合了，因此，把這一層叫做非均質層。
第二，是按著大氣被電離的狀態來劃分，可分為非電離層和電離層。在海平面以上60公里以內的大氣，基本上沒有被電離處於中性狀態，所以這一層叫非電離層。在60公里以上至1000公里的高度，這一層大氣在太陽紫外線的作用下，大氣成分開始電離，形成大量的正、負離子和自由電子，所以這一層叫做電離層，這一層對於無線電波的傳播有著重要的作用。
