按离地平面的垂直距离计算，常把大气层分成对流层、平流层和电离层三层。
对流层
高度在12km以下的这一区间称为对流层。大气在这一层内主要进行垂直对流运动，但也有水平运动。风、云、雨、雪等主要天气现象，都发生在这一层内。
平流层
高度在15～50km的这一区间称为平流层。大气在这层内主要作水平运动。在这一层内没有云、雨现象，大气也干燥、洁净。高度在15～35km处，有一个臭氧层，大气中的大部分O3存积于此。由于它能吸收来自太阳辐射中的紫外线，使地球上的生物才得以生存，所以臭氧层也是地球上生物的保护层。
电离层
高度在50km以上的区间统称为电离层（也有把高度在50～85km的区间称为中间层；把高度在85～800km的区间称为热电离层，也叫作暖层；高度在800km以上称为散逸层）。通讯卫星、人造地球卫星均在离地平面700～2000km的空间。在电离层中开始出现O 2、NO 、O 等离子和自由电子。