คลื่นมิลลิเมตรแพร่กระจายโดยเส้นทางตามแนวสายตาเท่านั้น พวกมันจะไม่ถูกสะท้อนโดยชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์รอบนอกและไม่ได้เคลื่อนที่ไปตามโลกเหมือนคลื่นดินเหมือนกับที่คลื่นวิทยุความถี่ต่ำกว่าทำ[4] ที่ความหนาแน่นของพลังงานโดยทั่วไป พวกมันจะถูกปิดกั้นโดยการสร้างกำแพง และประสบปัญหาการลดทอนอย่างมากเมื่อผ่านใบไม้[4][5][6] การดูดซับโดยก๊าซในชั้นบรรยากาศเป็นปัจจัยสำคัญทั่วทั้งย่านความถี่และเพิ่มขึ้นตามความถี่ อย่างไรก็ตาม การดูดกลืนแสงนี้จะสูงสุดที่เส้นการดูดกลืนแสงเฉพาะบางเส้น โดยส่วนใหญ่เป็นออกซิเจนที่ 60 GHz และไอน้ำที่ 24 GHz และ 184 GHz ที่ความถี่ใน "หน้าต่าง" ระหว่างจุดสูงสุดของการดูดกลืนแสง คลื่นมิลลิเมตรจะมีการลดทอนของชั้นบรรยากาศน้อยกว่ามากและมีช่วงที่มากกว่า การใช้งานจำนวนมากจึงใช้ความถี่นี้ ความยาวคลื่นมิลลิเมตรนั้นมีขนาดเท่ากันกับเม็ดฝน ดังนั้นการตกตะกอนทำให้เกิดการลดทอนเพิ่มเติมเนื่องจากการกระเจิง (เรนเฟด rain fade) และการดูดซับ[5][6] การสูญเสียพื้นที่ว่างและการดูดกลืนบรรยากาศในระดับสูงจำกัดการแพร่กระจายที่มีประโยชน์ไปเพียงไม่กี่กิโลเมตร[4] ดังนั้นจึงมีประโยชน์สำหรับเครือข่ายการสื่อสารที่มีความหนาแน่นสูง เช่น เครือข่ายพื้นที่ส่วนบุคคลที่ปรับปรุงการใช้คลื่นความถี่ผ่านการนำความถี่กลับมาใช้ใหม่[4]

การลดทอนของบรรยากาศในหน่วย dB/km โดยเป็นฟังก์ชันของความถี่เหนือย่านความถี่ที่สูงมาก ค่าการดูดซึมสูงสุดที่ความถี่เฉพาะเป็นปัญหา เนื่องจากองค์ประกอบของบรรยากาศ เช่น ไอน้ำ (H2O) และออกซิเจนโมเลกุล (O2) สเกลแนวตั้งเป็นลอการิทึมสองเท่า เนื่องจาก dB เองก็เป็นลอการิทึม

คลื่นมิลลิเมตรแสดงลักษณะการแพร่กระจายแบบ "ออปติคอล" และสามารถสะท้อนและโฟกัสได้ด้วยพื้นผิวโลหะขนาดเล็กและเลนส์อิเล็กทริกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ถึง 30 เซนติเมตร (2 นิ้วถึง 1 ฟุต) เนื่องจากความยาวคลื่นของมันมักจะเล็กกว่าอุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมมัน จึงสามารถใช้เทคนิคของเลนส์เชิงเรขาคณิตได้ การเลี้ยวเบนจะน้อยกว่าที่ความถี่ต่ำกว่า แม้ว่าขอบอาคารจะสามารถเลี้ยวเบนคลื่นมิลลิเมตรได้ก็ตาม ที่ความยาวคลื่นมิลลิเมตร พื้นผิวจะดูหยาบมากขึ้น ดังนั้นการสะท้อนแสงพร่าจึงเพิ่มขึ้น[4] การแพร่กระจายหลายเส้นทาง โดยเฉพาะการสะท้อนจากผนังและพื้นผิวในอาคาร ทำให้เกิดการซีดจางอย่างรุนแรง[6][7] การเปลี่ยนความถี่ด็อพเพลอร์อาจมีนัยสำคัญแม้ที่ความเร็วของคนเดินถนน[4] ในอุปกรณ์พกพา ปัญหาการแชโดว์เนื่องจากร่างกายมนุษย์เป็นปัญหา เนื่องจากคลื่นทะลุเสื้อผ้าและความยาวคลื่นเล็กน้อยทำให้สะท้อนจากวัตถุโลหะขนาดเล็กได้ จึงถูกนำมาใช้ในเครื่องสแกนคลื่นมิลลิเมตรสำหรับการสแกนเพื่อรักษาความปลอดภัยในสนามบิน