По основным физическим свойствам и составу воздуха атмосфера, как отмечалось выше, делится на гомосферу и гетеросферу. По характеру изменения температуры с высотой метеорологи выделяют пять основных слоев и четыре промежуточных.
До высоты (в среднем) 11 км — тропосфера, от 11 до 51 км — стратосфера, от 51 до 86 км — мезосфера, от 86 до 800 км — термосфера и выше 800 км — экзосфера. Промежуточные слои — тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза. Характер изменения температуры с высотой в каждом основном слое и приблизительные характерные значения температуры показаны на рисунке.
Радиофизики по уровню ионизации, электропроводности и способности отражать и поглощать радиоволны выделяют в атмосфере еще несколько слоев. Слой атмосферы, заключенный между высотами 100 и 1000 км, называют ионосферой. В ионосфере на высотах 60—100 км лежит слой D, от 10 до 150 км — слой E, выше 220 км — слои F1 и F2. Положение и интенсивность слоев ионосферы меняется ото дня к ночи и в зависимости от изменений солнечной активности.В атмосфере выделяют еще один особый слой, называемый озоносферой. Он находится на высотах 10—60 км, то есть в стратосфере и нижней мезосфере. Здесь происходят фотохимические процессы образования озона, максимальное содержание которого отмечается между 20 и 25 км. Так как озон способен поглощать значительную часть ультрафиолетовой радиации, идущей от Солнца, то температура воздуха выше озоносферы, то есть в верхней стратосфере, достигает даже положительных значений.