บรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกมีอยู่หลายชั้น และไม่เป็นเนื้อเดียวกันตลอด จะแตกต่างกันตามเวลา ตำแหน่งสถานที่หรือความสูง ตามอุณหภูมิหรือตามความเข้มข้นขององค์ประกอบทางเคมี เนื่องจากอุณหภูมิมีความสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงทางภูมิอากาศมากกว่าองค์ประกอบอื่นๆ ฉะนั้นถ้าถืออุณหภูมิเป็นเกณฑ์ จะแบ่งบรรยากาศออกได้เป็น ๔ ชั้น คือ
ก. ชั้นโทรโพสเฟียร์ (troposphere) เป็นชั้นที่อยู่ประชิดผิวโลก ยิ่งระดับสูงขึ้นอุณหภูมิจะเย็นลงเป็นลำดับ คือจะลดลงในอัตราประมาณ ๖.๕องศาเซลเซียสต่อกิโลเมตร อากาศที่เย็นลงเมื่อยู่สูงขึ้นไปจะมีการกระจายตัวหรือเคลื่อนไหวในแนวดิ่ง จึงมีการผสมผสานกันเป็นอย่างดีพอสมควรบรรยากาศชั้นนี้ในแถบเส้นศูนย์สูตรมีความสูง ประมาณ ๑๕ กิโลเมตร ส่วนบริเวณขั้วโลกทั้งสองจะสูงเพียง ๑๐ กิโลเมตร
ข. ชั้นสตราโทสเฟียร์ (stratosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่ ๒ ที่มีระดับความสูงประมาณ ๕๐ กิโลเมตร บรรยากาศชั้นนี้ยิ่งสูงขึ้น อุณหภูมิจะสูงขึ้นตามลำดับจนกระทั่งถึง ๒๗๐ องศาเคลวิน หรือใกล้ศูนย์องศาเซลเซียส ในบรรยากาศช่วงนี้มีก๊าซโอโซน (ozone) เกิดขึ้นตามธรรมชาติแผ่เป็นชั้น จึงนิยมเรียกส่วนนี้ว่าชั้นโอโซน (ozone layer) ก๊าซนี้ทำหน้าที่ดูดซึมบางส่วนของรังสี ดวงอาทิตย์ โดยเฉพาะบางส่วนของรังสีอัลตราไวโอเลต จึงมีผลทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น อากาศในชั้นนี้จึงไม่เคลื่อนที่ในแนวดิ่ง เป็นเหตุมิให้มีการผสมผสานในบรรยากาศตามควร ช่วงต่อระหว่างส่วนล่างของสตราโทสเฟียร์และโทรโพสเฟียร์ เรียกว่า โทรโพพอส (tropopause) เป็นชั้นที่มีความสูงระยะสั้นๆ ที่มีอุณหภูมิคงที่
ค. ชั้นเมโซสเฟียร์ (mesosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่เย็นที่สุด ยิ่งความสูงเพิ่มขึ้น อุณหภูมิจะลดลง ในระดับความสูง ๘๕ กิโลเมตรโดยประมาณ อุณหภูมิจะลดลงถึง ๑๗๕ องศาเคลวินหรือ -๙๘ องศาเซลเซียส ลูกอุกกาบาต (meteors) มักจะเริ่มลุกเป็นไฟ เมื่อเข้าสู่บรรยากาศชั้นนี้ ช่วงต่อระหว่างชั้นสตราโทสเฟียร์กับเมโซสเฟียร์จะมีชั้นย่อยเรียกว่า สตราโทพอส (stratopause) ซึ่งมีอุณหภูมิคงที่ตลอด ความสูงเช่นเดียวกับโทรโพพอส
ง. ชั้นเทอโมสเฟียร์ (thermosphere) หรือบางครั้งเรียกชั้นไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere) เป็นบรรยากาศชั้นสูงสุด ซึ่งอุณหภูมิจะสูงขึ้นตามระดับความสูง และจะมีอุณหภูมิเกิน ๑,๐๐๐ องศาเคลวิน รังสีเอกซ์และรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์จะทำให้อิเล็กตรอนจากอะตอมและโมเลกุลหลุดออกเป็นอิสระ เกิดการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าและเคมีต่อโมเลกุลของก๊าซในบรรยากาศชั้นนี้จึงเกิดสมบัติในการนำไฟฟ้า และการสะท้อนคลื่นวิทยุเอเอ็ม กลับไปยังโลก
