โดยมากจะแบ่งชั้นบรรยากาศตามสภาวะของอุณหภูมิ ซึ่งสามารถแบ่งชั้นบรรยากาศออกเป็น 4 ชั้นได้แก่
o โทรโปสเฟียร์ (Troposphere)
o สตราโตสเฟียร์ (Stratosphere)
o มีโซสเฟียร์ (Mesosphere)
o เทอร์โมสเฟียร์ (Thermosphere)

โทรโปสเฟียร์
เป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่ถัดจากผิวโลกขึ้นไป ซึ่งมีความหนาแน่นมากที่สุด โดยประกอบด้วยร้อยละ 80 ของมวลบรรยากาศ เกือบทั้งหมดของไอน้ำในบรรยากาศก็อยู่ในชั้นนี้ ปรากฏการณ์ที่สำคัญ ๆ ได้แก่ เมฆ ฝน หิมะ พายุต่าง ๆ ก็ล้วนแต่เกิดขึ้นในบรรยากาศชั้นนี้
บรรยากาศในชั้นนี้ประกอบด้วยลักษณะที่สำคัญ 2 ลักษณะคือ อุณหภูมิของอากาศจะลดลงตามความสูง โดยลดลง 6-7 องศาเซลเซียสต่อกิโลเมตรในครึ่งล่าง และ 7-8 องศาเซลเซียสต่อกิโลเมตรในครึ่งบน ที่ขอบบนของโทรโปสเฟียร์จะมีอุณหภูมิต่ำถึง –50 องศาเซลเซียส ถึง –60 องศาเซลเซียส อากาศมีการเคลื่อนไหวทั้งในแนวราบและแนวดิ่ง ที่ขอบบนของโทรโปสเฟียร์ อุณหภูมิจะลดลงตามความสูงน้อยกว่า 2 องศาเซลเซียส ต่อกิโลเมตร เรียกว่าโทรโปพอส (Tropopause) ความสูงของโทรโปพอสในแต่ละแห่ง ขึ้นอยู่กับ ความแรงของการยกตัวของอากาศในโทรโปสเฟียร์ ซึ่งถูกกำหนดโดยอุณหภูมิ และ ความกดของอากาศที่ระดับน้ำทะเล
สรุปได้ว่า ความสูงของโทรโปพอส สัมพันธ์กับละติจูด ฤดูกาล และการเปลี่ยนแปลงของความกดอากาศประจำวันที่ผิวพื้น โดยเฉลี่ยโทรโปพอสอยู่สูงจากผิวโลก 17-18 กิโลเมตรในละติจูดต่ำ 10-12 กิโลเมตรในละติจูดกลาง 8-9 กิโลเมตรจากขั้วโลกถึงเส้นศูนย์สูตร โทรโปพอสจะไม่ต่อเนื่องกันตลอด เช่นในซีกโลกเหนือโทรโปพอสขั้วโลกจะแผ่มาทางใต้จนถึงประมาณ 30 องศาเหนือในฤดูหนาว และประมาณ 35 องศาเหนือในฤดูร้อน ส่วนโทรโปพอสที่ศูนย์สูตร จะแผ่ไปทางเหนือถึงประมาณ 30 องศาเหนือในฤดูหนาว และประมาณ 45 องศาเหนือในฤดูร้อนดังนั้นโทรโปพอสจึงไม่ต่อเนื่องในบริเวณละติจูดกลาง

สตราโตสเฟียร์
อยู่ถัดจากชั้นโทรโปสเฟียร์ขึ้นไป ที่ขอบล่างของชั้นนี้ประกอบด้วยชั้นที่มีอุณหภูมิคงที่ ซึ่งมีความหนาหลายกิโลเมตร เรียกว่าชั้นไอโซเทอร์มัล (Isothermal layer) ประมาณระดับ 20 กิโลเมตรขึ้นไป อุณหภูมิจะสูงขึ้นตามความสูง บริเวณขอบบนของสตราโตสเฟียร์ ซึ่งอยู่สูงจากผิวโลกประมาณ 55 กิโลเมตร เรียกว่า สตราโตพอส (Stratopause) จะมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับอุณหภูมิที่ผิวโลก บรรยากาศชั้นนี้ไม่แปรปรวน เนื่องจากอากาศระดับบนมีอุณหภูมิสูงกว่าระดับล่าง จึงไม่เกิดการยกตัวของอากาศ และชั้นนี้แทบจะไม่มีไอน้ำอยู่เลย จึงปราศจากเมฆหรือฝนแต่ในบางโอกาสอาจพบเมฆสีมุก (Mother-of –Pearl Clouds หรือ Nacreous Clouds) ที่ระดับ 20-30 กิโลเมตร ในละติจูดกลางและละติจูดสูง และเนื่องจากอากาศในชั้นนี้มีเสถียรภาพมากและทัศนวิสัยดีเครื่องบินจึงสามารถบินผ่านโดยไม่ต้องผจญกับหลุมอากาศ อย่างไรก็ตามตอนล่างของชั้นนี้โดยเฉพาะเขตขั้วโลกในช่วงฤดูหนาวมักพบว่ามีกระแสลมแรงในแนวระดับเกิดขึ้น เรียกว่า กระแสลมกรด (Jet Stream) ซึ่งมีความเร็วลมมากกว่า 80 เมตรต่อวินาทีรังสีดวงอาทิตย์ทำให้โมเลกุลของออกซิเจนแตกตัว และเกิดเป็นโมเลกุลของโอโซน ซึ่งมีคุณสมบัติดูดกลืนรังสีอุลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ กระบานการนี้เกิดขึ้นทางตอนบนของสตราโตสเฟียร์ แต่โอโซนมีแนวโน้มที่จะจมตัวลงสู่เบื้องล่าง ทำให้เกิดการสะสมของโอโซน ซึ่งจะเห็นเป็นแถบสีฟ้าจาง ๆ บริเวรตอนกลางและตอนล่างของชั้นนี้อนุภาคฝุ่นและควันจากการระเบิดของภูเขาไฟ การอุตสาหกรรมและการขนส่งจะคงอยู่ในชั้นนี้ได้เป็นเวลาหลายปี ทำให้เกิดมลภาวะในสตราโตสเฟียร์ และมีผลกระทบโดยตรงต่อการรับพลังงานดวงอาทิตย์ที่ผิวโลก นอกจากนี้ สารเคมีบางชนิดจะทำลายชั้นโอโซน ทำให้รังสีอุลตราไวโอเลตมาถึงผิวโลกได้มากขึ้น ซึ่งจะเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก

มีโซสเฟียร์
เป็นชั้นที่อยู่ถัดจากสตราโตสเฟียร์ขึ้นไป ระหว่างกิโลเมตรที่ 55 ถึง 80 เหตุที่ได้ชื่อว่ามีโซสเฟียร์ เนื่องจากเป็นชั้นที่อยู่ตรงกลางของบรรยากาศทั้ง 5 ชั้น ตามการแบ่งชั้นบรรยากาศ โดยถือสภาวะของอุณหภูมิเป็นเกณฑ์ เนื่องจากแหล่งความร้อนของชั้นนี้อยู่บริเวณตอนบนของสตราโตสเฟียร์ บรรยากาศชั้นนี้จึงมีอุณหภูมิลดลงตามความสูง บริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุดของบรรยากาศอยู่บริเวณขอบบนของมีโซสเฟียร์ เรียกว่ามีโซสพอส (Mesopause)ในฤดูร้อน อุณหภูมิบริเวณมีโซพอสเหนือเขตอาร์กติคอาจมีอุณหภูมิต่ำถึง –100 องศาเซลเซียสโดยที่ชั้นนี้มีแหล่งความร้อนอยู่ทางตอนล่าง จึงมีการยกตัวของอากาศในแนวดิ่ง และการที่ชั้นนี้มีไอน้ำอยู่น้อยไอน้ำจะกลั่นตัวเป็นผลึกน้ำแข็งบนอนุภาคฝุ่นทำให้เกิดการก่อตัวของเมฆ น้ำแข็ง ซึ่งมีสีเทาเงิน และสีฟ้า มีลักษณะเหมือนเมฆขนนก มักปรากฎในละติจูดสูงในช่วงใกล้ดวงอาทิตย์ตก เรียกเมฆชนิดนี้ว่า เมฆสี หรือ เมฆพรายน้ำ(Noctilucent Clouds) ในขณะที่ดวงอาทิตย์ทำมุม 5-13 องศาเซลเซียส ต่ำกว่าแนวระดับ การที่อากาศในชั้นนี้มีการเคลื่อนที่ทั้งในแนวดิ่งและในแนวราบทำให้อากาศมีการผสมผสานกันอย่างทั่วถึง บรรยากาศจึงประกอบด้วยก๊าซชนิดต่าง ๆ ในอัตราส่วนคงที่ เรียกชั้นบรรยากาศที่อยู่ถัดจากผิวโลกถึงมีโซพอส ว่าโฮโมสเฟียร์ (Homosphere หรือ Homogeneous Atmosphere)

เทอร์โมสเฟียร์
อยู่ถัดจากมีโซพอสขึ้นไปจนถึงความสูงประมาณ 800 กิโลเมตรจากผิวโลก ความสูงของชั้นนี้ขึ้นกับความรุนแรงของปฏิกิริยาบนดวงอาทิตย์ ในช่วงที่ปฏิกิริยาบนดวงอาทิตย์มีความรุนแรงมาก ชั้นนี้จะมีความสูงมากตามไปด้วย อุณหภูมิของบรรยากาศชั้นนี้จะสูงขึ้นตามความสูงที่ระดับความสูง 200 กิโลเมตร จะมีอุณหภูมิสูงถึงประมาณ 700 องศาเซลเซียสและที่ระดับ 300 กิโลเมตร มีอุณหภูมิสูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส ปฏิกิริยาทางเคมีของแสงทำให้ก๊าซต่าง ๆในชั้นนี้แตกตัวเป็นไอออนจึงอาจเรียกว่า ไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) การชนกันระหว่างส่วนของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์ กับโมเลกุลและอะตอมของก๊าซในเทอร์โมสเฟียร์ ภายใต้แรงกระทำของสนามแม่เหล็กโลกทำให้เกิดการเปล่งแสง ซึ่งจะเห็นเป็นม่านแสงพุ่งขึ้นจากขอบฟ้าในเวลากลางคืน มักพบบริเวณตอนล่างของเทอร์โมสเฟียร์ที่ความสูงระหว่าง 90 ถึง 130 กิโลเมตร ถ้าม่านแสงพุ่งขึ้นทางทิศเหนือเรียกว่า แสงเหนือ (Aurora borealis) แต่ถ้าพุ่งขึ้นทางทิศใต้ เรียกว่าแสงใต้ (Aurora australis) และจะมีบางครั้งซึ่งอาจตรวจพบแสงชนิดนี้ที่ระดับ 1,000 กิโลเมตร
ชั้นบรรยากาศที่อยู่ถัดจากชั้นมีโซสเฟียร์ขึ้นไป ปฏิกิริยาทางเคมีของแสงเนื่องจากรังสีดวงอาทิตย์ และการที่อยู่ห่างไกลจากแรงดึงดูดของโลก อัตราส่วนของก๊าซต่าง ๆ จะผันแปรไปตามความสูง ชั้นที่อยู่สูงกว่าจะประกอบด้วยก๊าซที่มีน้ำหนักเบากว่าและไม่ค่อยมีการผสมผสานกับก็าซที่หนักกว่า จึงเรียกชั้นบรรยากาศที่อยู่ถัดจากชั้นมีโซสเฟียร์ขึ้นไปว่า Heterosphere ซึ่งในระดับที่ต่ำกว่า 240 กิโลเมตร จะประกอบด้วยโมเลกุลของไนโตรเจนเป็นส่วนใหญ่และโมเลกุลของออกซิเจนเป็นบางส่วน ที่ระดับสูงขึ้นไปแต่ต่ำกว่า 1,000 กิโลเมตรประกอบด้วยออกซิเจนอะตอมเดี่ยวเป็นส่วนใหญ่ และระหว่าง 1,000 – 2,400 กิโลเมตร ประกอบด้วยฮีเลียมอะตอมเดี่ยว ส่วนเหนือระดับ 2,400 กิโลเมตรขึ้นไป บรรยากาศจะประกอบด้วยไฮโดรเจนอะตอมเดี่ยว ซึ่งจะกลมกลืนไปกับก๊าซระหว่างดาว

การสะท้อนคลื่นวิทยุของไอโอโนสเฟียร์
ถ้าพิจารณาในแง่ของคุณสมบัติทางไฟฟ้า บรรยากาศอาจถูกแบ่งได้เป็น 2 ชั้น ได้แก่ชั้นที่มีประจุไฟฟ้าและชั้นที่ไม่มีประจุไฟฟ้า บรรยากาศที่อยู่ต่ำกว่า 60 กิโลเมตร ก๊าซต่างๆ จะมีสถานะเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งจัดว่าเป็นชั้นที่ไม่มีประจุไฟฟ้าเรียกว่า Non-ionosphere ส่วนชั้นที่อยู่ระหว่าง 60-2,000 กิโลเมตร ซึ่งเป็นชั้นที่ได้รับอิทธิพลจากรังสีอุลตราไวโอเลตและรังสีเอ็กซ์จากดวงอาทิตย์ ก๊าซต่าง ๆ ในชั้นนี้จะเกิดการแตกตัวเป็นไอออน และอิเลคตรอนอิสระ ชั้นนี้จึงมีทั้งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าและอนุภาคที่เป็นกลางผสมกันอยู่ เรียกแถบของบรรยากาศที่มีปริมาณไอออนและอิเลคตรอนอิสระมากพอที่จะสะท้อนคลื่นวิทยุได้ว่า ไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) ซึ่งการสะท้อนคลื่นวิทยุส่วนใหญ่เกิดจากอิเลคตรอนอิสระไอโอโนสเฟียร์เปรียบได้กับกระจกเงาขนาดมหึมา ที่ถูกแขวนไว้บนท้องฟ้าเพื่อทำหน้าที่สะท้อนคลื่นวิทยุความถี่สูงที่ส่งออกจากผิวโลกกลับมายังผิวโลก
อย่างไรก็ตาม ไอโอโนสเฟียร์จะสะท้อนคลื่นวิทยุในความถี่ที่จำกัด เป็นต้นว่า จะสะท้อนเฉพาะคลื่นความถี่ไม่สูงมากนักเท่านั้น ในกรณีของคลื่นที่มีความถี่สูงมาก ๆคลื่นจะผ่านทะลุไอโอโนสเฟียร์ออกไป โดยไม่มีการสะท้อนกลับลงมายังผิวโลก ดังนั้นการสื่อสารผ่านดาวเทียมจึงต้องใช้คลื่นไมโครเวฟ (microwave) ซึ่งเป็นคลื่นที่มีความถี่สูงมาก ๆ สามารถทะลุผ่านไอโอโนสเฟียร์ได้ตามการกระจายของความหนาแน่นของอิเลคตรอนตามความสูง และลักษณะการผันแปรของอิเลคตรอนสามารถแบ่งบรรยากาศชั้น ไอโอโนสเฟียร์ ออกเป็น 3 ชั้นย่อย ได้แก่ ชั้น D (layer D) ชั้น E (layer E) และชั้น F (layer F) ในช่วงกลางวันในฤดูร้อน ชั้น F จะถูกแบ่งออกเป็น 2 ชั้นคือ F1 และ F2
ชั้น D อยู่ระหว่างความสูงประมาณ 60 ถึง 90 กิโลเมตรจะสะท้อนเฉพาะคลื่นวิทยุความถี่ต่ำ แต่ดูดกลืนคลื่นความถี่สูง ความคงอยู่ของชั้นนี้จะขึ้นกับรังสีดวงอาทิตย์จึงปรากฏเฉพาะเวลากลางวัน ปริมาณความหนาแน่นของอิเลคตรอนน้อยมากคือประมาณ 1,000 ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร แต่ในขณะที่ก๊าซร้อนรอบดวงอาทิตย์มีการเผาไหม้รุนแรง ปริมาณไอออนจะสูงขึ้นมากทำให้สามารถสะท้อนคลื่นวิทยุความถี่ปานกลางและความถี่สูงได้
ชั้น E อยู่ระหว่างความสูงประมาณ 90 ถึง 140 กิโลเมตร สามารถสะท้อนคลื่นวิทยุความถี่ปานกลางและความถี่ที่สูงได้ แต่ความหนาแน่นของอิเลคตรอนไม่คงที่ ในช่วงกลางวันจะมีอิเลคตรอนมากกว่า โดยมีปริมาณสูงสุดประมาณ 100,000 ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ส่วนเวลากลางคืนปริมาณอิเลคตรอนจะลดลงเหลือ ประมาณ 200-10,000 ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร
ชั้น F อยู่ระหว่างความสูงประมาณ 140 ถึง 2,000 กิโลเมตร เป็นชั้นที่มีอิเลคตรอนหนาแน่นที่สุด นั่นคือที่ระดับประมาณ 300 กิโลเมตรอาจมีอิเลคตรอนถึง 100,000 ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ในช่วงกลางวันในฤดูร้อนชั้นนี้จะมีปริมาณอิเลคตรอนมากที่ความสูง 2 ระดับ ทำให้สามารถแบ่งเป็น 2 ชั้น คือ F1 และ F2 แต่ในเวลากลางคืนจะรวมเป็นชั้นเดียวเนื่องจากไอโอโนสเฟียร์ไม่สะท้อนคลื่นที่มีความถี่สูงมาก ๆ ทำให้สามารถส่งคลื่นไมโครเวฟซึ่งมีความถี่สูงมากเพื่อถ่ายทอดสัญญาณโทรศัพท์ โทรเลข โทรพิมพ์ รายการวิทยุ และโทรทัศน์ ทางดาวเทียมได้ คลื่นไมโครเวฟจะผ่านบรรยากาศชั้นนไอโอโนสเฟียร์ขึ้นไปถึงระดับความสูง 36,000 กิโลเมตร ไปยังดาวเทียมซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดสัญญาณต่าง ๆ ดังกล่าวกลับมายังเครื่องรับภาคพื้นดิน ทำให้เราได้รับข่าวสารทางไกลราวกับได้ไปเฝ้าดูเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นด้วยตนเอง