对于地球大气层的结构，有不同的划分方式。但一般是分为五层。
离地面最近的一层是对流层。对流层的平均厚度约为12公里，是大气中最稠密的一层，集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽质量。对流层最显著的特点是有强烈的对流运动，各种天气现象都是发生在对流层内。
在对流层上面是平流层。平流层是从对流层顶到约50公里高度的大气层，也叫“同温层”。平流层气流主要表现为水平方向运动，对流现象减弱。这里基本上没有水汽，晴朗无云，很少发生天气变化，适于飞机航行。在20~30公里高处，氧分子在紫外线作用下，形成臭氧层，像一道屏障保护着地球上的生物免受太阳紫外线及高能粒子的袭击。
在平流层上面是中间层，也叫“中层”。是自平流层顶到85公里之间的大气层。中间层顶附近的温度约为190K；空气以氮气和氧气为主，几乎没有臭氧。空气分子吸收太阳紫外辐射后可发生电离，习惯上称为电离层的D层。在这一层，有时在高纬度地区夏季黄昏时有夜光云出现。
再上面是电离层。是从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域（与中间层有部分重叠），其中的大气分子在太阳紫外辐射下被电离，存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。
中间层以上，到离地球表面500公里，叫做“热层”。在中间层到电离层内，经常会出现许多有趣的天文现象，如极光、流星等。
再向外，就是大气层的外层，也叫逃逸层或散逸层，就是热层以上的外大气层，延伸至距地球表面1000公里处。这里的大气已极其稀薄，其密度为海平面处的一亿亿分之一。外大气层是大气层的最外层，是大气层向星际空间过渡的区域，外大气层与宇宙空间没有明显的边界。
通常把1000公里之内，即电离层之内作为大气的高度，即大气层厚约为1000公里。
