对流层层顶之上的大气为平流层，其上界伸展到约55km处。
平流层内温度垂直分布的特点是大气温度随高度的增加而升高。这一方面是由于它受地面辐射影响小，另一方面也是由于该层含有臭氧，存在着臭氧层。臭氧层可直接吸收太阳的紫外线辐射，造成了气温的增加。
臭氧层的存在对地面免受太阳紫外辐射和宇宙辐射起着很好的防护作用，否则，地面上所有的生命将会由于这种强烈的辐射而致死。然而，近年来，由于地面向大气排放氯氟烃化合物过多，局部臭氧层被消蚀成洞，太阳及宇宙辐射可直接穿过“臭氧空洞”，给地球上的生物造成危害。若这种情况继续下去，其后果将是极为严重的。因此，保护臭氧层是当今世界面临的紧迫任务之一。
（三）中间层
由平流层顶至85km高处范围内的大气称为中间层。由于该层中没有臭氧这一类可直接吸收太阳辐射能量的组分，因此其温度垂直分布的特点是气温随高度的增加而迅速降低，其顶部气温可低于190K。中间层底部的空气通过热传导接受了平流层传递的热量，因而温度最高。这种温度分布下高上低的特点，使得中间层空气再次出现强烈的垂直对流运动。
（四）暖层
暖层位于85～800km的高度之间。这一层空气密度很小，气体在宇宙射线作用下处于电离状态，因此又将其称为电离层。由于电离后的氧能强烈地吸收太阳的短波辐射，使空气迅速升温，因此在这一层中气温的分布是随高度的增加而增加，其顶部可达750～1500K。电离层能反射无线电波，对远距离通讯极为重要。
（五）散逸层
暖层层顶以上的大气，统称为散逸层，也称为外层大气。该层大气极为稀薄，气温高，分子运动速度快。有的高速运动的粒子能克服地球引力的作用而逃逸到太空中去，所以称其为散逸层。
如果按空气组成成分划分大气圈层结构，又可将大气层分为均质层及非均质层。
（1）均质层其顶部高度可达90km，包括了对流层、平流层和中间层。在均质层中，大气中的主要成分氧和氮的比例基本保持不变，只有水汽及微量成分的组成有较大的变动，因此，均质层的主要特点为大气成分是均匀的。
（2）非均质层在均质层以上范围的大气统称为非均质层。其特点是气体的组成随高度的增加有很大的变化。非均质层主要包括了暖层和散逸层。