在3000多千米厚的大气圈里，人们生活在近地面的大气层中，对于近地面的大气情况，通过长期的反复实践，有了一定的了解。但是，高空中的大气是什么样呢？很久以来人们就在探索。
早在18世纪中叶，人们就开始利用风筝把气象仪器带到空中去观测大气。但是，风筝只能上升到二三千米的高度，而且在风小时还升不起来，风大时又容易发生危险。到18世纪末期，人们发明了载人气球，用氢气球将人和气象仪器带到空中，进行探测。虽然获得了大气中的一些资料，但是这种方法既笨重又不经济，在探测高度上也是有限的。到了20世纪30年代，随着电子技术的发展，发明了无线电探空仪，用氧气球将气象仪器和无线电发报机带到高空中去。随着无线电探空仪的上升，气象仪器把沿途测量到的大气温度、大气湿度、大气压力等气象数值，通过无线电讯号不断地发回到地面接收站。此时，才算比较圆满地解决了空中的探测问题。以后，人们随生产和军事科学的进展，对大气的探测又提出了新的更高的要求，利用无线电探空仪探测大气高层的气象资料已远远不能满足要求了。经过广大科学工作者的努力，终于发明了气象火箭、气象雷达、气象卫星等等，从而，人们对于大气高层的气象资料有了进一步的了解。
气象工作者根据用各种方法探测到的高空气象资料，按照气温和空气运动的特点，把大气图分成对流层、平流层、中层、热层和外层。
对流层
对流层是大气圈的最下层，它的高度在各地是不同的。赤道附近的地区，对流层的平均高度约十七八千米；两极附近的地区，对流层的平均高度约八九千米；在中纬度地区，对流层的平均高度约为10～12千米。在对流层内，空气温度随高度增加而降低，平均每上升100米，气温就下0.65℃。因为，下面的空气温度高，密度小；上面的空气温度低，密度大，所以下面的空气就不断上升，上面的空气便跑下来补充上升的空气。这样在对流层内就发生了上上下下不停的对流运动。对流层之名就是由此而来。对流层对地面的影响最大，我们经常看到的天气现象如云、雨、雪、雹等都发生在这一层内。
平流层
从对流层向上到五六十千米的高空称为平流层。在平流层内，气温随高度增加而增加。平流层内的气流比较平稳，几乎没有什么对流运动，因此，比较适合飞机的飞行。这一层内的空气以水平运动为主，所以称为平流层。平流层内空气比对流层内稀薄得多了，水汽、尘埃的含量也很少，经常是晴空万里，偶尔可以看见贝壳色彩的贝母云。
中层
从平流层向上到八九十千米的高空称为中层。在中层内，气温随高度的增加而下降。中层内尚有少量的水汽存在，因此，有时可以看见银白色的夜光云。
热层
从中层向上到800千米左右的高空称为热层。这一层内的温度很高，而且温度的昼夜变化很大。
外层
热层以上称为大气的外层。在外层内，空气温度更高，空气非常稀薄，一些高速运动的空气分子，可以挣脱地球引力，冲破其他分子的阻力而散逸到宇宙空间去，因此这一层又称为散逸层。
大气层除根据气温和空气运动的特征划分为5层外，它还可以根据其他的物理特征来划分层次。如根据大气的电离现象，可以把大气划分为非电离层和电离层。非电离层是指离地面大约60千米以下，在这一层内，大气处于非电离状态。电离层是指离地面大约60千米以上，在这一层内，由于太阳和其他天体射来的各种射线的影响，大气分子被电离成带电的正离子和自由电子。电离层又可划分为D层、E层、F层、G层，它们的高度和电离程度经常在变化，其中以离地面80～500千米的高空，电离程度比较高。电离层可以反射无线电波，所以它对无线电通讯具有重要的意义。