ชั้นบรรยากาศที่อยู่ล้อมรอบโลกมี 4 ชั้น ได้แก่ โทรโพสเฟียร์, สตราโทสเฟียร์ (ชั้นโอโซน), มีโซสเฟียร์ และเทอร์โมสเฟียร์ แต่ละชั้นมีความสูงและคุณลักษณะที่แตกต่างกัน

อุณหภูมิของบรรยากาศมีการเปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับระดับความสูงจากพื้นโลก นักอุตุนิยมวิทยาแบ่งชั้นบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกออกเป็น 4 ชั้น ดังนี้

1. ชั้นโทรโพสเฟียร์ (troposphere)

เป็นบรรยากาศชั้นล่างสุด อยู่สูงจากพื้นโลกขึ้นไปประมาณ 17-18 กิโลเมตร อุณหภูมิจะลดลงตามความสูงที่เพิ่มขึ้นจากพื้นโลก เป็นชั้นที่มีความแปรปรวนของสภาพลมฟ้าอากาศ ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญที่ก่อให้เกิดปรากฎการณ์ทางอุตุนิยมวิทยาต่างๆ มากมาย เช่น เมฆ ฝน พายุ เป็นต้น

2. ชั้นสตราโทสเฟียร์ (stratosphere)

อยู่สูงจากพื้นโลกจากชั้นโทรโพสเฟียร์ขึ้นไปจนถึงระดับ 50 กิโลเมตร บรรยากาศชั้นนี้จะมีแก๊สโอโซนอยู่ด้วยอาจเรียกว่าชั้นโอโซน เป็นชั้นที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามความสูงจากพื้นโลก

ชั้นโอโซน มีความเข้มของโอโซนสูงที่สุดในช่วงความสูง 20-40 กิโลเมตรจากผิวโลก โอโซนในชั้นนี้ เกิดจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่มาชนกับโมเลกุลของแก๊สออกซิเจน ทำให้โมเลกุลของแก๊สออกซิเจนแตกตัวเป็นอะตอมของออกซิเจน อะตอมของออกซิเจนไปรวมตัวกับโมเลกุลของแก๊สออกซิเจนที่ไม่แตกตัวกลายเป็นโอโซน (O3) โอโซนนั้นเป็นแก๊สที่ไม่เสถียร เมื่อมีรังสีอัลตราไวโอเลตมาชน โอโซนจะแตกตัวเป็นโมเลกุลของแก๊สออกซิเจน และอะตอมของออกซิเจนได้อีก

3. ชั้นมีโซสเฟียร์ (mesosphere)

เป็นชั้นที่อยู่สูงจากชั้นสตราโทสเฟียร์จนถึงระดับความสูง 80 กิโลเมตรจากพื้นดิน เนื่องจากการลดลงของแก๊สโอโซน ชั้นนี้จึงไม่มีการดูดกลืนรังสีใดๆ จากดวงอาทิตย์ เป็นชั้นที่อุณหภูมิลดลงตามความสูง ชั้นมีโซสเฟียร์เป็นชั้นที่ทำให้เกิดการเผาไหม้วัตถุจากนอกโลกที่เข้าสู่โลก

4. ชั้นเทอร์โมสเฟียร์ (thermosphere)

เป็นชั้นบรรยากาศที่ระดับความสูง ตั้งแต่ 90-480 กิโลเมตรจากพื้นดิน บรรยากาศในชั้นนี้จะมีการแตกตัวของโมเลกุลของแก๊สต่างๆ มากที่สุด มีประจุไฟฟ้าอิสระอยู่มาก อาจเรียกว่าชั้นไอโอโนสเฟียร์ เป็นชั้นที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามความสูง ชั้นนี้สามารถสะท้อนคลื่นวิทยุคลื่นสั้นได้ จึงเป็นชั้นบรรยากาศที่ใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคม นอกจากนี้ชั้นเทอร์โทสเฟียร์ยังมี “ออโรรา” หรือปรากฎการณ์แสงเหนือแสงใต้อีกด้วย