在地壳外围，由于地球引力作用，聚集着一层厚厚的气体物质，称大气圈。大气圈主要由氮（占78.08％）、氧（占20.95％）和二氧化碳、水汽、微尘等混合组成。它实际上是一个从地球表面到星际空间的过渡地带，顶部没有明确的上界，即使在几千千米的高空，也不是真正的真空。但是大气圈的总质量90％集中在离地表15千米的底层。大气圈的形成和存在，对地球表面的物理状况和生态环境有极大作用。太阳辐射被大气圈所吸收，不但使地表生命免遭紫外线辐射伤害，而且成为大地的“天然温室”。大气中的氧和二氧化碳等分别是动植物生长发育不可缺少的“粮食”；大气圈的存在又是地表水热状况的最大“调节器”。总之，大气圈是形成地球表面自然地理环境的极其重要的因素。但是，现在的大气圈，并不是自地球形成时起就如此，它经历了漫长的演变过程。
我们已经知道，地球以至整个太阳系，都是由原始太阳系星云形成的，组成原始星云的物质虽然是气体和尘埃。但是，地球正式形成之前，因为引力不足，它不能把气体吸积在自己的表面。当地球真正形成以后，因质量逐渐增大，引力不断增加，才通过吸积作用，使地球终于有了一个气体包层，即地球的原始大气，也称第一代大气。随着地球质量的增长，内部温度的增高，在地球内部圈层的分化中，所产生的气体逐步游离到地表。另外，地质时期大规模的火山喷发也产生了大量气体。第一代大气渐渐被取代，地球的第二代大气随之出现。第二代大气的主要成份为水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氮等。
大气圈积累出今天这样多的氧，只是绿色植物大量出现后，进行长期光合作用的结果。因为绿色植物的光合作用，不但使过多的二氧化碳转变成有机体，同时还放出大量的氧。这样才使第二代大气，逐步地演变成了今天的大气，也就是地球的第三代大气或称现代大气。这种从第二代大气到现代大气的演变，最少已有6亿年的历史。因为距今6亿年以前，绿色植物才在海洋中占优势，在距今4亿年前，绿色植物才开始登上大陆。
大气圈是个更加复杂多变的圈层。特别在垂直方向上的变化更为显著。其密度、温度、压力、化学组成等都随高度而变化。
依据大气的温度、组成和电离程度等不同参数，对大气圈又可以进行不同的分层。如按大气温度随高度的变化可分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。如按组成状况，可分成100千米以下的均质层和高于100千米以上的非均质层。若按电离程度可分为80千米以下的中性层和80～1000千米的电离层。
对流层是大气的最低层。上界平均高度为8～18千米。从极地到赤道厚度逐渐增加。就各地而言，又有随季节而变化的特点。夏季比冬季要厚一些。
对流层的最大特点是有对流运动。此层大气不但有水平方向的流动，更为显著的是存在着垂直方向的升降。大气圈中的水汽大部分集中在此层。所以对流层大气的升降和流动，给地表水热状况带来很大影响，是大气圈中与地表联系最密切的层次。
平流层在对流层之上，上界可到距地表55千米的高度，此层厚度大于对流层。大气的对流弱，主要表现为水平方向上的平流运动。平流层最大的特点是出现了一个臭氧层。由于太阳紫外辐射的光化作用，使大气中产生臭氧并形成臭氧层。臭氧层主要分布在10～50千米的高度，以23千米处臭氧的浓度最大。由于臭氧层的存在，臭氧对太阳紫外线辐射有强烈吸收作用，不但使平流层温度上升，而且使地表的生命不致受到紫外线辐射的危害。
电离层在平流层以上。此层较复杂，在距地面80～800千米的高空，空气已很稀薄，由于气体大量吸收太阳紫外线辐射，物质处于高度电离状态，温度也急剧升高。该层能够反射无线电波， 地面上的无线电通讯就是靠这种作用进行的。
在电离层以上统称散逸层。是地球大气圈的最外层。由于温度愈来愈高，空气极为稀薄，又远离地表，引力减弱，一些气体物质可以逃到星际空间中去，故人们把这个范围称散逸层。