W miarę wzrostu wysokości temperatura powietrza, ciśnienie, oraz gęstość atmosfery ulega zmianie. Pionowe zróżnicowanie atmosfery stało się podstawą do wyróżnienia pięciu głównych jej warstw: troposfery, stratosfery, mezosfery, termosfery i egzosfery. Podział ten został przyjęty głównie w oparciu o termiczną strukturę atmosfery. Wytyczono także pomiędzy nimi warstwy przejściowe i nazwano je: tropopauza, stratopauza i mezopauza.
Troposfera
Jest najniższą i najcieńszą warstwą atmosfery (gr. tropos = zwrot, obrót) i stanowi ok. 80 % jej całkowitej masy. Obserwuje się w niej ciągłe przemieszczanie powietrza, jego mieszanie, oraz ruchy turbulencyjne. Górna jej granica zmienia się w zależności od pory roku i od szerokości geograficznej. Nad biegunami sięga ona do 7 km w zimie i do 9 km w lecie.
W umiarkowanych szerokościach geograficznych od 10 km w zimie do 13 km w lecie. Nad równikiem zasięg troposfery waha się od 15 do 17 km przez cały rok. Zróżnicowana grubość troposfery wynika głównie z różnic nagrzewania się obszarów leżących na różnych szerokościach geograficznych. W troposferze występuje spadek temperatury powietrza przy wzroście wysokości o 0,6°C na 100 m. W miarę wzrostu wysokości zmniejsza się także wilgotność. Spowodowane jest to spadkiem ciśnienia atmosferycznego przeciętnie o 11,5 hPa na 100 m. Troposfera zawiera w sobie prawie całą zawartość pary wodnej w atmosferze, dlatego więc w tej warstwie zachodzą procesy kształtujące pogodę, oraz klimat. W średniej troposferze na wysokości 1- 6 km przeważają poziome ruchy powietrza i na tej wysokości powstaje większość chmur. W górnej troposferze ( powyżej 6 km) przeważają wiatry zachodnie wiejące z dużymi prędkościami. Wiatry te są szczególnie silne przy granicy z tropopauzą i noszą nazwę prądami strumieniowymi. Temperatura w górnej części troposfery wynosi zależnie od pory roku i szerokości geograficznej od ok. -45°C do ok. -80°C. Warstwa, w której kończy się spadek temperatury przy wzroście wysokości nazywa się tropopauzą.
Stratosfera
Kolejna warstwa atmosfery sięga do wysokości 50- 55 km. W jej części dolnej do 25 km obserwujemy stałą temperaturę -55°C. W górnej części stratosfery (25- 50 km) temperatura wzrasta osiągając wartości dodatnie. Wzrost temperatury na tej wysokości spowodowany jest występowaniem ozonu w tej warstwie, który powstaje na skutek działania promieniowania ultrafioletowego na cząsteczki tlenu. Większość docierającego promieniowania jest pochłaniana przez tą warstwę i zamieniana na ciepło. Wzrost temperatury w stratosferze jest związany z obecnością ozonu, który niemal w całości (90 %) jest zawarty w tej warstwie atmosfery. Procesom powstawania i rozpadu ozonu towarzyszy wzrost temperatury. Obszar maksymalnej koncentracji ozonu nazywany jest ozonosferą. Ozonosfera jest warstwą ochronną bardzo ważną dla życia na Ziemi. Chroni przed promieniowaniem ultrafioletowym, które jest szkodliwe dla organizmów żywych. Część ozonosfery o znacznie zmniejszonej zawartości ozonu to dziura ozonowa. Powstaje ona w wyniku przedostania się do stratosfery freonów. Na skutek zetknięcia się freonów z promieniowaniem ultrafioletowym zostaje uwolniony chlor, który niszczy cząsteczki ozonu wchodząc w reakcję z tlenem. Zjawisko dziury ozonowej najsilniej widoczne jest nad Antarktydą, gdyż wiatry stratosferyczne spychają powietrze wzbogacone w ozon znad równika w stronę biegunów. Biegun południowy otrzymuje mniej powietrza zawierającego ozon. Stratosfera na wysokości 50- 55 km przechodzi w warstwę graniczną zwaną stratopauzą.
Mezosfera
Mezosfera (gr. mezos = pośredni, środkowy). sięga do wysokości 80 km nad powierzchnię Ziemi. Charakteryzuje się ona stałą temperaturą w jej dolnej części, a następnie silnym jej spadkiem (średnio 2,3°C/1 km) do -90°C. Jest to warstwa, gdzie obserwuje się najniższe temperatury w całej atmosferze. Na skutek intensywnego pionowego spadku temperatury w mezosferze ma miejsce turbulencja (burzliwy przepływ cząsteczek). Mezosferę kończy warstwa przejściowa- mezopauza znajdująca się na wysokości 80- 85 km.
Termosfera
Termosfera (gr. thermós znaczy ciepły, gorący) wyróżnia się wysokimi i stale rosnącymi temperaturami. W tej części atmosfery gaz jest bardzo rozrzedzony i silnie nagrzany przez docierające tu bez przeszkód promieniowanie słoneczne. Na wysokości 120 km temperatura osiąga wartość ok. 100°C, natomiast na wysokości kilkuset kilometrów- 1000°C. W termosferze niekiedy wyróżnia się dwie warstwy: jonosferę leżącą na wysokości 800- 1000 km, oraz egzosferę, położoną wyżej. Egzosfera przechodzi w przestrzeń kosmiczną bez wyraźnej granicy. W jonosferze występuje zjawisko jonizacji atomów (atomy zostają obdarzone dodatnim, bądź ujemnym ładunkiem elektrycznym), oraz pochłanianie promieniowania słonecznego przez zjonizowany tlen, azot, hel, wodór. W jonosferze jony dodatnie, lub ujemne grupują się tworząc warstwy:
- Warstwa D (70- 80 km od gruntu)
- Warstwa E (120- 150 km od gruntu)
- Warstwa F (250- 2600 km od gruntu)
Dla człowieka szczególne znaczenie mają tzw. Warstwa E z przewagą jonów dodatnich, oraz warstwa F z przewagą jonów ujemnych. Warstwy te odznaczają się zdolnością odbijania fal radiowych. Umożliwiają w ten sposób łączność radiową nawet na bardzo wielkie odległości. W jonosferze zachodzi także zjawisko zorzy polarnej wywołanej oddziaływaniem Słońca. Zorza polarna powstaje poprzez wyrzucane przez Słońce elektrony i protony, które natrafiając na atmosferę ziemską, pobudzają azot oraz wodór i w wyniku reakcji dochodzi do zjawiska świetlnego. Najczęściej zorze polarne występują na wysokości 80-400 km, rzadziej na wysokościach wyższych niż 1000 km. Na półkuli północnej zorze polarne występują najczęściej między 65 a 75° szerokości geograficznej północnej i są zjawiskami stosunkowo częstymi
Egzosfera
Jest to najwyższa warstwa atmosfery rozciągająca się od około 800 km do nieokreślonej bliżej granicy. (gr. egzo = na zewnątrz). Cechuje się ona bardzo silnym rozrzedzeniem, oraz bardzo dużą prędkością cząsteczek gazów. Egzosfera jest uważana za strefę przejściową pomiędzy atmosferą a przestrzenią kosmiczną. Głównymi składnikami warstwy tej są wodór i tlen. Egzosferę cechuje bardo mała gęstość. Jej cząsteczki zderzają się ze sobą niezwykle rzadko, co sprawia, że mogą osiągać znaczne prędkości. Staje się też możliwa ich ucieczka z obszaru działania przyciągania ziemskiego. Cząsteczki te mogą także uwolnić się z atmosfery ziemskiej i przeniknąć do przestrzeni międzyplanetarnej. Gazy przenikają jednak z niższych warstw atmosfery, co równoważy ich stratę w egzosferze. Helu dostarcza radioaktywny rozpad ciężkich atomów pierwiastków, takich jak uran, tor i rad, występujących w skorupie ziemskiej. Źródłem wodoru jest para wodna i metan, które występują głównie w stratosferze. Wodór i hel na skutek niewielkiego ciężaru mogą także przenikać na znaczne wysokości atmosfery. Temperatura, jaka panuje w tej warstwie przekracza 800°C, natomiast ciśnienie jest mniejsze, niż 10-6Pa.