Atmosféra je členěna na několik vrstev, což bývá označováno jako vertikální členitost atmosféry. S rostoucí výškou nad zemským povrchem se mění její vlastnosti – teplota, tlak a hustota vzduchu.
Troposféra
Vrstva nacházející se nejblíže zemskému povrchu se nazývá troposféra (a), zasahuje do výšky 9–17 km. Nejmohutnější je v oblasti rovníku (díky rotaci planety a odstředivé síle), nejméně mocná na zemských pólech. Ve výšce kolem 17 km v ní může teplota dosahovat až –60 °C. Troposféra tvoří v rovníkových oblastech až 90 % hmotnosti celé zemské atmosféry, v oblastech mírného pásu je to kolem 75 % hmotnosti celé atmosféry. V této vrstvě se také vyskytuje většina oblaků a atmosférické vody, létají v ní běžná dopravní letadla. Od další vrstvy troposféru odděluje tropopauza.
Stratosféra
Další vrstvou je stratosféra (b), která se vymezuje mezi 9–50 km výšky. Nachází se v ní ozonosféra chránící Zemi před ultrafialovým (UV) zářením. Ozonosféra obsahuje největší koncentraci ozonu (\mathrm{O_3}). Mezi stratosférou a mezosférou je stratopauza.
Mezosféra
Po stratosféře následuje mezosféra (c) nacházející se ve výšce od 50 do 80–85 km nad povrchem. Od další vrstvy mezosféru odděluje tzv. mezopauza.
Termosféra
Od konce mezosféry do 690 km výšky nad povrchem zasahuje termosféra (d). V této vrstvě atmosféry vzniká polární záře (aurora borealis – na severní polokouli, aurora australis – na jižní polokouli). Od poslední vrstvy je oddělena termopauzou.
Exosféra
Poslední vrstvou je exosféra (e), vnější vrstva zemské atmosféry. Ta plynule přechází do meziplanetárního prostoru. Její nejzazší část se nachází se ve výškách od 20 000 km do 35 000 km, avšak není jasně ohraničená. Proto se výška této poslední vrstvy někdy umisťuje až do 70 000 km nad zemským povrchem.