Tầng đối lưu (troposphere) chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, ở độ cao từ 0 đến 11 km, càng lên cao nhiệt độ càng giảm. Độ cao của tầng đối lưu có thể thay đổi khoảng vài km, tùy thuộc vào các yếu tố, nhiệt độ, bề mặt đất... (khoảng 8 km ở hai cực, 18 km ở vùng xích đạo). Tầng này quyết định khí hậu của Trái đất, thành phần chủ yếu là N2, O2, CO2 và hơi nước. Khí trong khí quyển tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu, với khối lượng khoảng 4,12.1015 tấn so với tổng khối lượng khí trong khí quyển là 5,15×1015  tấn. Mật độ không khí và nhiệt độ trong tầng đối lưu không đồng nhất. Mật độ không khí giảm rất nhanh theo độ cao (giảm theo hàm số mũ). Nếu không bị ô nhiễm, thì nhìn chung thành phần của khí quyển ở tầng đối lưu khá đồng nhất, do có dòng đối lưu liên tục của các khối không khí trong tầng. Tầng đối lưu là một vùng xoáy, do có sự mất cân bằng trong tốc độ sưởi ấm và làm lạnh giữa vùng xích đạo và ở hai đầu cực.

Phần trên cùng của tầng đối lưu có nhiệt độ thấp nhất (vào khoảng −56°C) được gọi là đỉnh tầng đối lưu hoặc lớp dừng (tropopause). Tầng này đánh dấu sự kết thúc xu hướng giảm nhiệt theo độ cao trong tầng đối lưu và bắt đầu có sự tăng nhiệt độ. Ở đỉnh tầng đối lưu do nhiệt độ rất thấp, hơi nước bị ngưng tụ và đông đặc nên không thể thoát khỏi tầng khí quyển thấp. Nếu không có đỉnh tầng đối lưu đóng vai trò như tấm chắn hữu hiệu, hơi nước có thể bay lên các tầng khí quyển phía trên và sẽ bị phân tích dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại có năng lượng lớn. Hydro tạo thành do phản ứng phân tích sẽ thoát khỏi khí quyển (hầu hết hydro và heli vốn có trong khí quyển đã thoát khỏi khí quyển theo con đường này).

Tầng bình lưu

Tầng bình lưu (stratosphere) ở độ cao từ 11 đến 50 km, nhiệt độ tăng theo độ cao, từ −56°C đến khoảng −2°C. Thành phần chủ yếu của tầng này là O3, ngoài ra còn có N2, O2 và một số gốc hóa học khác.

Phía trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu là tầng ozon, nhiệt độ trong tầng này gần như không đổi. Ozon ở vùng này đóng một vai trò cực kỳ quan trọng, nó có tác dụng như lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất, tránh được tác dụng có hại của tia tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời.

O3   +  hν  (λ: 220 − 330 nm)  →  O2   +  O  + Q  (làm tăng nhiệt độ)

Trong tầng bình lưu, không khí ít bị khuấy động, do đó thời gian lưu của các phần tử

hóa học ở vùng này khá lớn. Nếu các chất gây ô nhiễm bằng cách nào đó xâm nhập vào tầng này, thì chúng sẽ tồn tại và gây ảnh hưởng tác động trong một thời gian dài hơn nhiều so với ảnh hưởng của chúng ở tầng đối lưu.

Tầng trung lưu

Tầng trung lưu (còn gọi là tầng trung gian, mesosphere) ở độ cao từ 50 km đến 85 km,

nhiệt độ giảm theo độ cao, từ −2°C đến −92°C, do không có nhiều các phần tử hóa học hấp thụ tia tử ngoại, đặc biệt là ozon. Thành phần hóa học chủ yếu trong tầng này là các gốc tự do O2+, NO+ được tạo thành do oxy và nitơ oxit hấp thụ bức xạ tử ngoại xa.

Tầng nhiệt lưu

Tầng nhiệt lưu (còn gọi là tầng nhiệt, thermosphere), ở độ cao từ 85 đến trên 500 km.

Nhiệt độ trong tầng này tăng từ −92°C đến 1200°C. Trong tầng này, do tác dụng của bức xạ

Mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy ra với oxy, ozon, nitơ, nitơ oxit, hơi nước, CO2..., chúng bị phân tách thành nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion O2+, O+, O, NO+, e−, CO32−, NO2−, NO3−,...và nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau khi hấp thụ bức xạ Mặt trời ở vùng tử ngoại xa (UV-C, λ < 290 nm).

Ngoài  các  tầng  trên,  người  ta  còn  có  khái  niệm  tầng  điện  ly  hay  tầng  ngoài (exosphere) và tầng ion (ionosphere).

Tầng ngoài bao quanh Trái đất ở độ cao lớn hơn 800 km, có chứa các ion oxy O+ (ở độ cao < 1500 km), heli He+ (< 1500 km) và hydro H+ (> 1500 km). Một phần hydro ở tầng này có thể tách ra và đi vào vũ trụ (khoảng vài nghìn tấn năm). Mặt khác, các dòng plasma do Mặt trời phát ra và bụi vũ trụ (khoảng 2 g/km2) cũng đi vào khí quyển Trái đất. Nhiệt độ của tầngnày tăng rất nhanh đến khoảng 1700°C.

Khái niệm Tầng ion được dùng để chỉ phần khí quyển ở độ cao từ 50 km trở lên, trong vùng này không khí có chứa nhiều ion. Sự có mặt của các ion trong vùng này đã được biết đến từ năm 1901, khi người ta phát hiện ra hiện tượng phản xạ sóng radio của lớp khí quyển tầng cao.

Giới hạn trên của khí quyển và đoạn chuyển tiếp vào vũ trụ rất khó xác định, cho tới nay, người ta mới ước đoán khoảng 500 − 1000 km.