按離地平面的垂直距離計算，常把大氣層分成對流層、平流層和電離層三層。

對流層
高度在12km以下的這一區間稱為對流層。大氣在這一層內主要進行垂直對流運動，但也有水平運動。風、云、雨、雪等主要天氣現象，都發生在這一層內。

平流層
高度在15～50km的這一區間稱為平流層。大氣在這層內主要作水平運動。在這一層內沒有云、雨現象，大氣也干燥、潔凈。高度在15～35km處，有一個臭氧層，大氣中的大部分O3存積于此。由于它能吸收來自太陽輻射中的紫外線，使地球上的生物才得以生存，所以臭氧層也是地球上生物的保護層。

電離層
高度在50km以上的區間統稱為電離層（也有把高度在50～85km的區間稱為中間層；把高度在85～800km的區間稱為熱電離層，也叫作暖層；高度在800km以上稱為散逸層）。通訊衛星、人造地球衛星均在離地平面700～2000km的空間。在電離層中開始出現O 2、NO 、O 等離子和自由電子。