大气垂直分层主要分为五层，分别是对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。

对流层是大气的最底层，它的平均厚度在低纬度地区约17 - 18千米，中纬度地区约10 - 12千米，高纬度地区约8 - 9千米。对流层的特点十分显著，气温随高度增加而降低，平均每上升100米，气温约降低0.65℃，这是因为地面是对流层大气的主要热源，离地面越远，获得的热量越少。该层空气具有强烈的对流运动，这是由于地面受热不均导致的，这种对流运动使得水汽和杂质容易向上输送，所以云、雨、雾、雪等天气现象都发生在这一层，与人类的生活和生产活动关系最为密切。

平流层位于对流层之上，其范围大约从对流层顶到50 - 55千米高度。平流层下部气温随高度变化很小，在30千米以上，气温随高度增加而迅速上升，这是因为平流层中存在臭氧层，它能吸收太阳紫外线，使大气增温。平流层的空气以水平运动为主，气流平稳，水汽和杂质含量极少，天气晴朗，有利于高空飞行。

中间层从平流层顶到85千米高度。该层气温随高度升高而迅速降低，空气有强烈的垂直对流运动，所以又称为高空对流层。

热层也叫电离层，位于中间层之上，大约从85千米到800千米高度。热层的大气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，处于高度电离状态，能反射无线电波，对无线电通信有重要意义。该层气温随高度增加而急剧上升，这是因为大气物质（主要是氧原子）吸收了太阳紫外辐射的能量。

散逸层是大气的最外层，位于热层之上。这里的大气极为稀薄，受地球引力场的束缚很弱，一些高速运动的空气质点可以挣脱地球引力的作用而逃逸到宇宙空间中去。它是地球大气与星际空间的过渡区域。