O primeiro papel da atmosfera no clima é o efeito térmico regulador, além de proteger o planeta contra meteoritos. Na hipótese de sua ausência, a temperatura diária oscilaria entre 110ºC de dia e -185ºC durante a noite.

A atmosfera primitiva era formada basicamente de hidrogênio.

Posteriormente juntaram-se outros gases emitidos por materiais e substâncias do interior do planeta (por exemplo, o dióxido de carbono produzido pelos vulcões) e o próprio oxigênio cuja origem está ligada à ação da radiação solar sobre o vapor d’água e ao processo da fotossíntese. Esquematicamente, a atmosfera é um envoltório gasoso que se compõe, em média, de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases (argônio (0,92%), hélio, criptônio, neônio, ozônio etc.). Além disso, contém vapor d’água, água em estado líquido, sob forma de gotículas em suspensão, cristais de gelo e micro-partículas (poeira, cinzas e aerossóis). O vapor d’água, apesar do importante papel na existência dos inúmeros fenômenos meteorológicos, se apresenta em quantidades variáveis, porém não faz parte da composição da atmosfera.

A atmosfera é composta por várias camadas: Troposfera, Tropopausa, Estratosfera, Ionosfera ou Termosfera, Exosfera e Magnetosfera. A Troposfera é a camada mais próxima da superfície terrestre e sua altura varia, conforme a latitude:

• 7 a 9 km nos pólos;
• 13 a 15 km nas latitudes temperadas;
• 17 a 19 km no equador.

Nas faixas de baixas latitudes, próximas ao equador, a maior incidência de radiação solar faz com que as moléculas de ar sejam mais expandidas e a altura da troposfera seja maior e, em direção aos polos, com temperaturas cada vez menores, a troposfera se torna cada vez menor.

Grande parte dos fenômenos meteorológicos como as nuvens, nevoeiros, névoas e precipitações, ocorre na Troposfera, devido ao alto teor de vapor d’água, a existência dos núcleos de condensação ou higroscópios (areia, poeira, sal, fuligem, pólens, bactérias etc.) e ao aquecimento ou resfriamento por radiação. Cerca de 75% do ar atmosférico se concentra nesta camada. Na Troposfera a temperatura decresce com a altitude, em média, da ordem de, aproximadamente, 0,65ºC/100 m (gradiente térmico vertical).

A Tropopausa, por sua vez, é a camada que separa a parte superior da Troposfera da Estratosfera; possui cerca de 3 a 5 km de espessura e, da mesma forma que a Troposfera, é mais alta na área do equador do que em direção aos pólos. A principal característica da Tropopausa é a isotermia, ou seja, seu gradiente térmico vertical é isotérmico, com a temperatura praticamente invariável na vertical, com cerca de –56,5ºC.

A Estratosfera é a camada seguinte da atmosfera, que atinge até cerca de 70 km de altitude. A principal característica desta camada é o aumento da temperatura com a altitude (inversão térmica). Entre 20 e 50 km de altitude se verifica a Ozonosfera, ou camada de ozônio, que atua como um filtro protegendo a Terra contra a radiação ultravioleta.

A Ionosfera ou Termosfera é uma camada eletrizada, que vai de 70 km até cerca de 400 a 500 km de altitude. A ionização da camada ocorre pela absorção dos raios gama, raios X e ultravioleta do Sol. Essa camada auxilia na propagação das ondas de rádio.

A Exosfera tem seu topo a aproximadamente 1.000 km de altitude, com a mudança da atmosfera terrestre para o espaço interplanetário; essa camada também é muito ionizada, porém o ar é muito rarefeito, impossibilitando a filtragem de radiação solar.

A Magnetosfera é o próprio espaço interplanetário, cujo limite varia em torno de 60.000 a 100.000 km da Terra.