​Tầng đối lưu: từ bề mặt Trái Đất tới độ cao 7-17 km, phụ thuộc theo vĩ độ (ở 2 vùng cực là 7–10 km) và các yếu tố thời tiết, nhiệt độ giảm dần theo độ cao đạt đến -50 °C. Không khí trong tầng đối lưu chuyển động theo chiều thẳng đứng và nằm ngang rất mạnh làm cho nước thay đổi cả 3 trạng thái, gây ra hàng loạt quá trình thay đổi vật lý. Những hiện tượng thời tiết như mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương giá, sương mù,... đều diễn ra ở tầng đối lưu.
Tầng bình lưu: từ độ cao trên tầng đối lưu đến khoảng 50 km, nhiệt độ tăng theo độ cao đạt đến 0 °C. Ở đây không khí loãng, nước và bụi rất ít, không khí chuyển động theo chiều ngang là chính, rất ổn định.
Tầng trung lưu: từ khoảng 50 km đến 80–85 km, nhiệt độ giảm theo độ cao đạt đến -75 °C. Phần đỉnh tầng có một ít hơi nước, thỉnh thoảng có một vài vệt mây bạc gọi là mây dạ quang.
Tầng điện li: từ 80–85 km đến khoảng 640 km, nhiệt độ tăng theo độ cao có thể lên đến 2.000 °C hoặc hơn. Ôxy và nitơ ở tầng này ở trạng thái ion, vì thế gọi là tầng điện li. Sóng vô tuyến phát ra từ một nơi nào đó trên vùng bề mặt Trái Đất phải qua sự phản xạ của tầng điện li mới truyền đến các nơi trên thế giới. Tại đây, do bức xạ môi trường, nhiều phản ứng hóa học xảy ra đối với ôxy, nitơ, hơi nước, CO2...chúng bị phân tách thành các nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion như NO+, O+, O2+, NO3-, NO2-...và nhiều hạt bị ion hóa phát xạ sóng điện từ khi hấp thụ các tia mặt trời vùng tử ngoại xa.
Tầng ngoài: từ 500–1.000 km đến 10.000 km, nhiệt độ tăng theo độ cao có thể lên đến 2.500 °C. Đây là vùng quá độ giữa khí quyển Trái Đất với khoảng không vũ trụ. Vì không khí ở đây rất loãng, nhiệt độ lại rất cao, một số phân tử và nguyên tử chuyển động với tốc độ cao cố "vùng vẫy" thoát ra khỏi sự trói buộc của sức hút Trái Đất lao ra khoảng không vũ trụ. Do đó tầng này còn gọi là tầng thoát ly. Tuy nhiêt, các nhiệt kế, nếu có thể, lại chỉ các nhiệt độ thấp dưới 0 °C do mật độ khí là cực kỳ thấp nên sự truyền nhiệt ở mức độ có thể đo đạc được là rất khó xảy ra.

Chắc chắn bạn cũng cảm thấy khi leo núi thì việc hít thở trở nên khó khăn hơn ở dưới đồng bằng. Từ điều này, bạn có thể suy ra rằng càng lên cao thì khí quyển càng loãng. Rất hợp logic vì càng lên cao thì lực hút của Trái Đất càng giảm, do vậy không khí loãng hơn và làm bạn khó thở hơn. Chính bởi yếu tố này mà bầu khí quyển của Trái Đất được chia thành 5 tầng như sau :

1. Tầng đối lưu (Tropo-sphere): Tầng khí quyển sát với mặt đất có độ cao từ 8-17 km (5-11 dặm). Đây là tầng khí quyển quen thuộc nhất với chúng ta. Mọi hiện tượng thời tiết tác động trực tiếp tới chúng ta (gió, mưa, bão…) hầu như đều xảy ra trong tầng đối lưu. Do gần Trái Đất nhất, tầng đối lưu cũng có mật độ không khí dày đặc nhất (chiếm hơn 50% lượng khí quyển của toàn Trái Đất). Được phản chiếu nhiệt từ vỏ Trái Đất, đây cũng là tầng khí quyển “ấm áp” nhất.
2. Tầng bình lưu (Strato-sphere): Nằm ngay trên đầu tầng đối lưu với độ cao từ 17-50km (11-31 dặm), tầng bình lưu là nơi chứa lớp ozone bảo vệ Trái Đất khỏi các tia cực tím từ Mặt Trời. Trái ngược với tầng đối lưu là càng lên cao càng lạnh, chính nhờ việc ozone hấp thụ các tia cực tím mà ở tầng bình lưu thì nhiệt độ lại tăng lên theo độ cao.
3. Tầng giữa (Meso-sphere) : Tầng này nằm cách Trái Đất khoảng 85km (53 dặm), không chứa ozone và là tầng khí quyển lạnh nhất trong 5 tầng khí quyển của Trái Đất.
4. Tầng nhiệt quyển (Thermo-sphere) : Ở trên cao 640km (400 dặm) so với Trái Đất, tầng nhiệt quyển chứa một lớp mỏng không khí và là tầng khí quyển nóng nhất vì tầng này không có ozone hấp thụ nhiệt nữa. Nhiệt độ ở đây có thể lên tới 1700 độ C.
5. Tầng ngoại quyển (Exo-sphere) : Đây là tầng ngoài cùng của bầu khí quyển Trái Đất, nơi mà khí quyển của Trái Đất tiếp xúc với cả không gian vũ trụ bên ngoài. Một số nhà khoa học tin rằng tầng khí quyển này ở độ cao 9600km (6000 dặm) so với Trái Đất.