大气圈的下界通常是指地表，但在地面以下的松散堆积物及某些岩石中也含有少量空气，它们是大气圈的地下部分，其深度一般小于3km；其上界并无明确的界限，一般认为在2000～3000km的高空向行星际尘埃的密度过渡。大气圈在垂直方向上的物理性质有显著的差异，根据温度、成分、电荷等物理性质，以及大气的运动特点，可将大气圈自地面向上依次分为对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层（图略）。
（一）对流层（troposphere）
对流层是大气圈最下面的一层，它的厚度随纬度而异，赤道附近厚17～18km，两极仅8～9km，平均厚度约11～13km。而且厚度还随季节变化，一般夏季较大，冬季较小。同大气圈总厚度相比，对流层是很薄的，但其质量却占大气圈总质量的 70％～75％，且集中了大气圈的几乎全部水汽和尘埃。对流层的主要特征是：①温度随高度增加而降低，一般平均每升高1km温度降低6℃，这称为大气降温率。这是由于对流层热量主要依靠吸收来自地面的长波辐射，因此距地面越高，所获得的热量越少；②空气具有强烈的对流运动，这是由于地面的不均匀加热而导致的不同纬度、不同高度的大气具有温度差与密度差造成大气相互流动，空气对流使地面的热量、水汽和杂质向高空输送，从而发生一系列天气现象，如风、雪、雨、云等；③气象要素水平分布不均匀，由于对流层受地表的影响较大，其温度、湿度的水平分布很不均匀，并由此而产生一系列物理过程，形成复杂的天气现象；④对流层受人类活动影响最显著，人类生产活动排放的大气污染物绝大部分都集中在该层中。
（二）平流层（stratosphere）
平流层是从对流层顶至35～55km高空的大气层，其质量约占大气圈总质量的20％。平流层的最显著特点是气流以水平方向运动为主，且因此而得名。平流层基本不含水汽和尘埃物质，不存在对流层中的各种天气现象。在该层的上部（30～55km）存在多层的含臭氧层，它能吸收来自太阳的99％以上对生命有害的紫外线，所以称它是地球生物的保护伞。平流层的温度，最初随高度的增加保持不变或略有上升，但升至30km以上时，由于臭氧吸收了大量紫外线，温度升得很快，到平流层顶时的气温升至-3～17℃。
（三）中间层（mesophere）
自平流层顶至85km左右高空的大气层。由于这里没有臭氧吸收太阳辐射的紫外线，气温随高度增大而迅速下降，至中间层顶界气温降到-83～-113℃。由于下热上冷，再次出现空气的垂直运动。该层的顶部已出现弱的电离现象。
（四）暖层（thermosphere）
又称电离层（ionosphere），为从中间层顶到800km的高空。该层的空气已很稀薄，质量只占大气总质量的0.5％。该层的空气质点在太阳辐射和宇宙高能粒子作用下，温度迅速增高，再次出现随高度上升气温增高的现象。据人造卫星观测，到500km处温度高达1201℃，500km以上温度变化不大。同时，因紫外线及宇宙射线的作用，氧、氦被分解为原子，并处于电离状态，按电离程度可分为几个电离层，各层能反射不同波长的无线电波，故在远距离短波无线电通迅方面具有重要意义。
（五）散逸层（exosphere）
也称外逸层，位于800km以上至2000～3000km的高空，空气已极为稀薄。本层是大气圈与星际空间的过渡地带，其温度也随高度的增加而升高。因离地面太远，地球引力作用弱，空气粒子运动速度很快，所以气体质点不断向外扩散。