ดาวพุธมีชั้นบรรยากาศเบาบางและมีสเถียรภาพต่ำอันเกิดจากการที่ดาวพุธมีขนาดเล็กจนไม่มีแรงดึงดูดเพียงพอในการกักเก็บอะตอมของก๊าซเอาไว้ ชั้นบรรยากาศของดาวพุธประกอบไปด้วยไฮโดรเจน, ฮีเลียม, ออกซิเจน, โซเดียม, แคลเซียม, โพแทสเซียม และ น้ำ มีความดันบรรยากาศประมาณ 10-14 บาร์

บรรยากาศของดาวพุธมีการสูญเสียและถูกทดแทนอยู่ตลอดเวลาโดยมีแหล่งที่มาหลายแหล่ง ไฮโดรเจนและฮีเลียมอาจจะมาจากลมสุริยะ พวกมันแพร่เข้ามาผ่านสนามแม่เหล็กของดาวพุธก่อนจะหลุดออกจากบรรยากาศในที่สุด การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีจากแกนของดาวก็อาจจะเป็นอีกแหล่งหนึ่งที่ช่วยเติมฮีเลียม โซเดียม และโพแทสเซียมให้กับบรรยากาศดาวพุธ

ไม่เคยถูกแสงอาทิตย์โดยตรงเลย การสำรวจได้เผยให้เห็นถึงแถบสะท้อนเรดาร์ขนาดใหญ่อยู่บริเวณขั้วของดาว ซึ่งน้ำแข็งเป็นหนึ่งในสารไม่กี่ชนิดที่สามารถสะท้อนเรดาร์ได้ดีเช่นนี้

บริเวณที่มีน้ำแข็งนั้นเชื่อกันว่าอยุ่ลึกลงไปใต้พื้นผิวเพียงไม่กี่เมตร และมีน้ำแข็งประมาณ 1014 - 1015 กิโลกรัม เปรียบเทียบกับน้ำแข็งที่แอนตาร์กติกาของโลกเราที่มีน้ำแข็งอยู่ 4 x 10 18 กิโลกรัม ที่มาของน้ำแข็งบนดาวพุธยังไม่แน่ชัด แต่เชื่อกันว่าอาจจะมีที่มาจากดาวหางที่พุ่งชนดาวพุธเมื่อหลายล้านปีก่อน หรืออาจจะมาจากภายในของดาวพุธเอง