A atmosfera terrestre, essa camada gasosa essencial que envolve o planeta, é estruturada em cinco zonas distintas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera. Essas camadas trabalham em conjunto para manter o equilíbrio térmico do planeta, proteger contra impactos de meteoroides e filtrar a radiação ultravioleta. A distinção primária entre elas reside na variação de altitude e temperatura, que segue um padrão de queda, ascensão, queda e nova ascensão ao longo das camadas, sendo que cada uma desempenha papéis vitais para a existência.
A troposfera constitui a camada mais próxima da superfície, onde a vida se desenvolve. Sua espessura varia conforme a latitude e a época do ano, situando-se entre 0 e 12-18 km. Ela abriga aproximadamente 80% da massa atmosférica total e quase todo o vapor d'água. Fenômenos climáticos, como tempestades, ventos e chuvas, ocorrem nesta região devido à convecção e ao vapor d'água. É também o trajeto de helicópteros e o ponto de voo da maioria das aeronaves comerciais, embora as temperaturas possam cair para -60°C nas altitudes mais elevadas.
Acima da troposfera, começando em torno de 8 km e chegando a cerca de 18 km, encontra-se a estratosfera. Sua função mais notável é a presença da camada de ozônio, localizada entre 15 e 35 km, que absorve grande parte da radiação solar ultravioleta, especificamente toda a UV-C e quase toda a UV-B, que são as mais prejudiciais aos seres vivos. Devido a essa absorção, a temperatura no ar aumenta na estratosfera com a elevação, diferentemente da troposfera; sua base registra cerca de -60 °C e pode alcançar 0 °C no topo. Essa estabilidade térmica resulta em poucas correntes verticais de ar.
A mesosfera, situada entre 50 km e 80 km de altitude, é crucial para a defesa do planeta. É neste nível que inúmeros meteoroides se desintegram ao entrar na atmosfera em alta velocidade, vaporizando-se ou queimando devido à fricção e compressão com o ar. A mesosfera é a camada mais fria, atingindo temperaturas de aproximadamente -90°C a -100°C em seu ápice. Além disso, é na mesosfera que surgem as raras nuvens noctilucentes, formadas por cristais de gelo e visíveis somente durante o crepúsculo.
Subindo entre 85 km e 600 km, localiza-se a termosfera, caracterizada por um ar extremamente rarefeito. Esta camada é cenário de eventos espetaculares, como a aurora boreal no Hemisfério Norte e a aurora austral no Hemisfério Sul. As auroras são geradas pelo choque de partículas carregadas do vento solar com os átomos e moléculas de oxigênio e nitrogênio, resultando na emissão de luz. A termosfera também contém a ionosfera, uma faixa que se estende de 60 a 1.000 km de altitude. Sendo carregada de íons, ela é fundamental para a transmissão e recepção de ondas de rádio, abrigando muitos satélites em órbita baixa e a Estação Espacial Internacional (ISS). Apesar de a temperatura (devido à agitação das partículas) poder chegar a 1.000°C, o calor não seria percebido devido à escassez de partículas para transferência de energia.
Não há um limite definido entre a atmosfera e o espaço; o ar se torna progressivamente mais rarefeito até se fundir com o meio interplanetário. Por convenção, a Federação Aeronáutica Internacional (FAI) estabelece a linha de Kármán, a 100 km de altitude, como a fronteira entre a atmosfera e o espaço. Este valor possui uma base física, visto que nessa altura, a densidade do ar é tão baixa que um avião necessitaria voar acima da velocidade orbital para gerar sustentação, o que é impraticável. Curiosamente, essa linha situa-se no meio da termosfera, e não na exosfera. Assim, a atmosfera prossegue muito além do ponto denominado 'espaço', e é nesta área de transição que se encontra a exosfera.
A exosfera estende-se de 600 km até 10 mil km de altitude. Neste domínio, onde o ar é tão disperso que se assemelha ao vácuo espacial, circulam certos satélites. Assim como na termosfera, as temperaturas são elevadas devido à agitação das partículas, mas a sensação térmica é de frio. A exosfera representa, de fato, a zona de passagem entre o que pertence à Terra e o vasto cosmos.