اتمسفر زمین چهار لایهی اصلی دارد؛ «تروپوسفر»، «استراتوسفر»، «مزوسفر» و «ترموسفر.» این لایه‌ها سیاره‌ی زمین را در مقابل تشعشعات مضر موجود در کیهان محافظت می‌کنند.
ترموسفر حدود ۵۳ تا ۳۷۵ مایلی از سطح زمین را شامل می‌شود. در این لایه، مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن توسط تشعشعات کیهانی و ذرات پرانرژی خورشیدی بمباران می‌شوند و به این ترتیب، این مولکول‌ها به اتم‌های تشکیل دهنده‌ی خود تجزیه می‌شوند. در این فرآیند گرمای زیادی نیز آزاد می‌شود. دمای ترموسفر با افزایش ارتفاع بیشتر می‌شود، زیرا اکسیژن و نیتروژن اتمی توانایی تاباندن انرژی تولید شده به بیرون را ندارند.
مزوسفر ۳۱ تا ۵۳ مایلی سطح زمین را در بر می‌گیرد. مطالعه‌ی لایهی مزوسفر برای درک تغییرات بلند مدت در اتمسفر زمین اهمیت بالایی دارد، زیرا این تغییرات هستند که آب و هوای زمین را تحت تاثیر قرار می‌دهند. مزوسفر نسبت به کوچک‌ترین تغییرات در مواد شیمیایی و ترکیبات اتمسفر حساس است و نسبت به آن واکنش می‌دهد. به همین دلیل دانشمندان برای پیش‌بینی وضعیت آینده‌ی کره‌ی زمین مطالعات زیادی بر روی لایهی مزوسفر انجام می‌دهند.
استراتوسفر ارتفاع حدود ۱۰ تا ۳۱ مایلی از سطح زمین را به خود اختصاص داده است. «لایهی اوزون» در این منطقه قرار دارد و نورهای ماورا بنفش رسیده از خورشید را به خود جذب می‌کند.
تروپوسفر از سطح زمین تا ارتفاع ۱۰ مایلی را شامل می‌شود. همه‌ی فعالیت‌های انسانی درون این لایه از اتمسفر انجام می‌شوند.
یونوسفر نام لایه‌ای از پلاسما است که با یونیزه شدن اکسیژن و نیتروژن اتمی توسط تشعشعات خورشیدی ایجاد می‌شود. یونوسفر از وسط مزوسفر تا مگنتوسفر ادامه پیدا می‌کند. این لایه روزانه با حرکت خورشید تغییر جهت می‌دهد و با یونیزه شدن اتم‌ها در معرض نور خورشید لایهی یونوسفر در قسمت‌های دیگری ایجاد می‌شود. علیرغم همه‌ی این موارد، لایه‌های بالایی اتمسفر بیشتر حالت خنثی دارند و روزانه از هر یک میلیون ذره‌ی موجود در آن‌ها تنها یک ذره باردار می‌شود. یونوسفر در شب تقریباً به‌طور کامل از بین می‌رود، زیرا نور خورشید وجود ندارد که با اتم‌ها برهمکنش داشته باشد. البته در نبود خورشید هنوز هم اتم‌های باردار کمی در اثر تشعشعات کیهانی وجود خواهند داشت.
یکی از خصوصیات منحصربه‌فرد یونوسفر این است که می‌تواند امواج رادیویی دارای طول موج کوتاه را منعکس کند و به این طریق امکان برقراری ارتباطات تا فواصل طولانی را ممکن می‌کند. تغییراتی که در لایهی یونوسفر به‌وجود می‌آید، می‌تواند ارتباطات ماهواره‌ای را مختل کند. به‌عنوان مثال سیگنال‌های جی‌پی‌اس در اثر این تغییرات می‌توانند مختل شوند. در زمان بروز طوفان‌های خورشیدی این لایهی اتمسفری می‌تواند باعث قطع شدن ارتباط بین زمین و ماهواره‌ها شود.
دانشمندان ناسا از بالن برای نمونه‌برداری در اتمسفر استفاده می‌کنند. البته مزوسفر و ترموسفر برای دسترسی بالن‌ها ارتفاع زیادی دارند و به همین دلیل دانشمندان برای نمونه‌برداری از آن‌ها از تجهیزات نصب شده بر روی موشک‌ها و ماهواره‌ها استفاده می‌کنند.