บรรยากาศไม่ได้แบ่งเป็นชั้นที่มองเห็นได้ แต่จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์สามารถแบ่งชั้นบรรยากาศได้เป็น 5 ชั้น ดังนี้[1]

1. โทรโพสเฟียร์ (troposphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่สูงจากพื้นดินขึ้นไปประมาณ 0-10 กม. อุณหภูมิจะค่อยๆลดลงตามระดับความสูง และเป็นชั้นที่เกี่ยวข้องกับสภาพอากาศด้วยมีปรากฏการณ์ที่สำคัญ คือ ลม เมฆ พายุ หิมะ

2. สตราโทสเฟียร์ (stratosphere) เป็นชั้นที่มีเสถียรภาพที่สุด มีความสูงตั้งแต่ 10-50 กม. อุณหภูมิในระดับล่างของชั้นนี้จะคงที่จนถึงระดับความสูง 20 กม. จากนั้นอุณหภูมิจะค่อย ๆ สูงขึ้น ชั้นนี้เป็นชั้นที่เครื่องบินจะบินเพราะไม่มีความแปรปรวนของสภาพอากาศและเครื่องบินทั้งหมดที่บินในชั้นจะนี้จะเป็นเครื่องบินไอพ่น บรรยากาศมีก๊าซโอโซนอยู่มากซึ่งจะช่วยสกัดแสงอัลตร้าไวโอเรต (UV) จาก ดวงอาทิตย์ไม่ให้มาถึงพื้นโลกมากเกินไป

3. มีโซสเฟียร์ (mesosphere) เป็นช่วงบรรยากาศที่อยู่สูงจากพื้นดินในช่วง 50-80 กม.อุณหภูมิลดลงตามระดับความสูง อาจรวมเรียกบรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ สตราโทสเฟียร์ และมีโซสเฟียร์ว่า โฮโมสเฟียร์

4. เทอร์โมสเฟียร์ (thermosphere) ตั้งแต่ 80-600 กม. อุณหภูมิจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงแรกแล้วอัตราการสูงขึ้นจะลดลง อุณหภูมิจะอยู่ระหว่าง 227-1,727 องศา มีอากาศเบาบางมาก และมีแก๊สต่าง ๆ ซึ่งอยู่ในลักษณะที่เป็นอนุภาคประจุไฟฟ้าเรียกว่า ไอออน สามารถสะท้อนคลื่นวิทยุบางชนิดได้ อาจเรียกบรรยากาศในชั้นนี้ว่า ไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere)

5. เอกโซสเฟียร์ (exosphere) เริ่มตั้งแต่ 600 กม.จากผิวโลกขึ้นไป บรรยากาศชั้นนี้เจือจางมากจนไม่ถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของชั้นบรรยากาศ องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นแก๊สไฮโดรเจนและฮีเลียม ไม่มีรอยต่อที่ชัดเจนระหว่างบรรยากาศกับอวกาศ มีอุณหภูมิประมาณ 726 องศาเซลเซียส ถึงแม้อุณหภูมิจะสูง แต่ก็ไม่ได้ร้อนจนเกินไป