Atmosferin yoğunluğu katmanlara göre değişir. Atmosfer, yeryüzünden başlayarak uzaya doğru yükselen bir dizi katmana sahiptir. Bu katmanlar genellikle sıcaklık değişimleri, bileşenlerin yoğunluğu ve diğer özellikler açısından farklılık gösterir. Ana katmanlar şunlardır:
Troposfer: Yeryüzünden başlayarak ortalama olarak 8 ila 15 kilometre yüksekliğe kadar uzanır. Troposfer, atmosferin en alt katmanıdır ve hava olaylarının (yağmur, kar, rüzgar vb.) çoğunluğu burada gerçekleşir. Yoğunluğu yüksektir çünkü atmosferdeki gazların büyük çoğunluğu burada bulunur.
Stratosfer: Troposferin üzerinde 50 kilometreye kadar uzanan bir katmandır. Stratosferde, ozon tabakası bulunur. Bu katmanda, yüksek irtifalardaki uçaklar ve atmosferin üst katmanlarına doğru yükselen balonlar bulunur. Yoğunluğu troposfere göre daha azdır.
Mezosfer: Stratosferin üzerinde 80 kilometreye kadar uzanır. Mezosfer, meteorlarla çarpışan ve atmosferde yanarak parçalanan birçok meteoroidi içerir. Yoğunluk, stratosfere göre daha azdır.
Termosfer: Mezosferin üzerinde 700 kilometreye kadar uzanır. Burada, atmosferden gelen güneş ışınları tarafından yüksek sıcaklıkta iyonize olmuş gazlar bulunur. Yoğunluk oldukça düşüktür, ancak bu katmanda uzay araçları ve yapay uydular hareket eder.
Ekzosfer: Atmosferin en dış katmanıdır ve uzay boşluğuna doğru genişler. Bu katmanın yoğunluğu çok düşüktür ve atmosferle uzay arasındaki geçiş bölgesidir.
Her katmanın özellikleri ve yoğunluğu, içerdiği gazlar, sıcaklık değişimleri ve diğer faktörlere bağlı olarak değişir.