根据温度变化、电离状态和化学反应等特征随高度分布的不同，可将整个大气圈分成若干层次。
按热力性质可将大气圈由地面向上划分为：对流层、平流层、中层、热层、外逸层。各层的高度及特性分别为：
（1）对流层
为大气圈的最下部层次，平均高度10km，对流层的厚度随纬度、季节等条件而异，赤道处高度约17～18km，中纬度地区约12km，极地区约8km。一般夏季厚而冬季薄。在对流层里，温度一般随着高度的增加而显著递减，递减率一般为每千米6.5℃。大气中的水汽大部分集中在此层，所以，常产生云和降水等天气现象。由于紧挨地表，受太阳温差影响的热交换直接作用在该层，因而，常发生龙卷风和台风等气象。对流层与平流层之间的过渡层称为对流层顶，厚约几百米到2km，层内自下而上温度少变。
（2）平流层
位于平流层之上，从对流层顶到50km的高度。在平流层中，温度随高度的增加而增加，在平流层顶，温度可高达271K。平流层中的大气多做平流运动。由于层内水汽和尘埃含量稀少，空气较为稳定，所以在平流层内天气现象少见。
（3）中层
中层为50～85km左右的大气层。
（4）热层
热层从中层顶到250km（太阳宁静期）或500km（太阳活动期）的大气层。本层中，温度随高度的增加而增加，在太阳活动期的白天温度可高达2000K左右。
（5）外逸层
外逸层距地表高度大于500km。本层大气十分稀薄。
根据大气的电离特性，大气圈可分成中性层、电离层和磁层。
（6）中性层
中性层指自地表至60km左右的大气层。中性层大气有时虽然局部可有较多的带电粒子（如雷暴时），但一般情况下带电粒子少，主要由中性气体组成。
（7）电离层
电离层指自60～500km或至1000km的大气层，系由较多气体分子吸收了太阳X射线和紫外辐射电离而成。习惯上按电子密度的大小，常把电离层自下而上分成D层（60～90km）、E层（90～140km）、F层（140～500km或至1000km）。各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节、太阳活动而变化。1000km以上，也存在电子和离子，但数密度已很小，分布也极不均匀。电离层能反射无线电波，对电波通信很重要。
（8）磁层
地球磁层始于地表以上500～1000km处，向空间延伸到磁层边缘。太阳风动能密度和地磁场能密度相平衡的曲面，就是地球磁层的边界，称磁层顶。朝太阳一侧的磁层顶离地心约8～11个地球半径，太阳激烈活动时，被突然增强的太阳风压缩到5～7个地球半径。背太阳一侧，因太阳风不能对地磁场施以任何有效的压力，磁层在空间可以延伸到几百个甚至1000个地球半径以外，形成一个磁尾。磁层顶即作为地球大气的上界。
此外，距地表约20～110km（也有主张由对流层顶至195km左右）的大气层，由于太阳紫外辐射能使大气分子产生光分解或光电离等作用，被分解或电离的物质在一定条件下又能互相发生化学反应，因此，这层大气称光化层。