A Föld légkörének legalsó, tehát legsűrűbb rétege a troposzféra. A légkör össztömegének 75-80%-a a troposzférára esik. A legtöbb időjárási jelenség (felhő- és csapadékképződés, szél stb.) a légkör legalsó rétegében zajlik le. Ennek az a magyarázata, hogy a troposzférában éles hőmérséklet-különbségek jönnek létre. A napsugárzás ugyanis először a földfelszínt melegíti fel, a felszín adja át a hőt a troposzféra legalsó sávjának. Ezért a hőmérséklet a troposzférában felfelé fokozatosan csökken, 100 m-enként 0,6°C-kal. A felszín közelében a felmelegedő levegő felszáll, helyében hűvösebb áramlik. A földfelszín egyenetlenségei a felszín közvetlen szomszédságában, az ún. határrétegben erősen befolyásolják a felszínnel párhuzamos légmozgást, azaz a szelet. A legerősebb légmozgás a troposzféra legfelső sávjában fellépő futóáramlás (jet stream). A futóáramlás a Földet hullámalakban, 400 km/h körüli sebességgel öleli körül. Hullámaiból hatalmas, magas nyomású légörvények (anticiklonok), ill. alacsony nyomású képződmények (ciklonok) válnak le. Ezek nagy hatással vannak a mérsékelt öv időjárására. Az anticiklonokban uralkodó leszálló légáramlás száraz időt hoz, a ciklonok érkezésével csapadékképződés jár.

Függőleges irányban a levegő sűrűsége és nyomása is csökken, egészen a troposzféra felső határáig, a tropopauzáig. A tropopauza tengerszint felett 7-17 km magasságban húzódik. A tropopauza mindenkori helyzetét az adott hely földrajzi szélessége, valamint az szabja meg, milyen évszak és napszak van. Az Egyenlítő mentén van a legmagasabban, kb. 17-20 km-en. A sarkok közelében és télen a legalacsonyabb a helyzete, kb. 7-8 km-en figyelhető meg. A mérsékelt övben átmeneti a helyzete. A tropopauzában már igen hideg van: -55°C körüli hőmérséklet. Néha a sztratoszférából lejuthatnak légtömegek a tropopauzába, amit lekeveredésnek nevezünk.

A sztratoszféra alsó határa a tropopauza, és a sztratopauzáig, kb. 85 km magasságig tart. Már az alsó sztratoszférában is kb. ezerszer ritkább a levegő, mint a troposzférában, a tengerszinten. A sugárhajtású repülőgépek ezért ott tudnak a leghatékonyabban előrehaladni. A troposzférával szemben a sztratoszférában a hőmérséklet felfelé emelkedik. A levegő rétegződése stabil, ezért függőleges légmozgás nem alakul ki benne, vízszintes áramlások viszont előfordulnak. A legkicserélődés hiányának hátrányos hatása is van. A korábban sztratoszférába jutott anyagok (pl. a szórófejekből kibocsátott hajtógázok, a halogénezett szénhidrogének) igen sokáig ott tartózkodnak, az egész Föld éghajlatát befolyásolhatják. A sztratoszféra száraz levegőjében felhők se képződnek, kivéve a sarki sztratoszféra-felhőket, amelyek 15-25 km magasságban jelennek meg, ha ott a hőmérséklet -78°C alá süllyed.

A sztratoszférában a Nap ultraibolya sugárzás energiájának hatására az oxigénmolekulák egy része felbomlik. Újraalakulva háromatomos oxigénmolekulák keletkeznek. Így jön létre az ózonréteg, amely megakadályozza a káros, rövid hullámhosszú sugárzás lehatolását, ezzel védi a földi életet. A sztratoszféra-felhők azonban elősegítik az ózont pusztító kémiai folyamatokat, az „ózonlyuk” kialakulását. Az ózonréteg „kilyukadása” tulajdonképpen csupán az ózonréteg kivékonyodását jelenti, mégis káros. Az erős ultraibolya sugárzás ugyan az élőlényeknek csak a kültakarójába hatol be, de ott súlyos elváltozásokat, az emberek esetében bőrrákot okoz.

A mezoszféra a földi légkör 50-90 km közötti rétege. Felső határát a mezopauza jelöli ki. A meteorok nagy része a mezoszférába jutva ég el. A mezoszférában a hőmérséklet felfelé csökken, a tetején van a leghidegebb az atmoszférában: -90°C is lehet. Ugyanakkor ebben a rétegben is jelentősek a hőmérséklet évszakos különbségei. Az Északi- és a Déli-sark felett a mezoszférában néha világító felhők jelennek meg.

A mezoszféra a légkör legkevésbé ismert rétege. Azért különösen nehéz tanulmányozni, mert a meteorológiai léggömbök oda már nem jutnak fel, az időjárási műholdak pedig magasabban keringenek. A mezoszféra titkainak kifürkészésére leginkább a rakétaszondák alkalmasak. Ezek rövid röppályán repülnek, nem állnak Föld körüli pályára.

A mezoszférát a feszíntől kb. 90 km távolságban, a mezopauza felett a termoszféra váltja fel. Az alsó termoszférában a hőmérséklet ismét gyorsan nő. A termoszféra hőmérséklete egyébként időben változó, erősen függ a Nap tevékenységétől. Nappal 200°C-kal melegebb, mint éjszaka. A napfolttevékenység csúcsán pedig akár 500°C-kal is forróbb lehet, mint máskor. A felső termoszféra hőmérséklete így 500-2000°C között ingadozik. A magas értékek azonban félrevezetők: mivel a légkör ebben a rétegben olyan ritka, hogy a levegő molekulái alig ütköznek egymással, hagyományos értelemben nem beszélhetünk hőmérsékletről. A termoszféra felső határa, a termopauza erősen ingadozó magasságban, 500-1000 km között található.

A nemzetközi űrállomás és számos műhold a termoszférában kering a Föld körül. A hőmérséklet-különbségek miatt a termoszféra sűrűsége is erősen változó. Ezek az eltérések befolyásolják a műholdak pályáit, amelyeket ezért állandóan ki kell igazítani.

A légkör legritkább, külső burka az exoszféra. A világűr felé tulajdonképpen nincs is határa, mert a könnyű légköri gázok, mint a hidrogén és a hélium, rendszeresen megszöknek belőle az űrbe, ill. érkeznek is onnan a napszéllel. Elméletileg mégis kb. 2000 km magasságban szokták meghúzni a földi légkör külső határát. A Föld mágnese tere azonban még több tízezer km-ig fogva tartja a részecskék egy részét, így keletkezik az aszimmetrikus alakú magnetoszféra.

A légkör összetétele a troposzférában, a sztratoszférában és a mezoszférában állandó: 78% nitrogén, 21% oxigén és 1% egyéb gáz (főleg argon) alkotja. Ezért ezt a három réteget összefoglalóan homoszférának, azaz azonos összetételű légburoknak nevezhetjük. Kb. 110 km magasság felett a légkör anyaga már nem keveredik jól át. A gázok molekulatömegük szerint rendeződnek el: a nitrogén helyett először fokozatosan az atomos oxigén, majd a hélium, végül a legkönnyebb gáz, a hidrogén kerül túlsúlyba. Azokat a rétegeket, amelyekre ilyen gázösszetétel jellemző, együtt heteroszférának hívjuk.

A légkör legnagyobb részében a gázok semleges atomok, molekulák formájában fordulnak elő. A Nap ionizáló sugárzása hatására azonban kb. 50 km felett több olyan réteg alakul ki, amelyeknek részecskéi elektromos töltéssel rendelkeznek. Ezek a napszakosan változó, ionokban, szabad elektronokban feldúsuló rétegek alkotják az ionoszférát. Az ionoszféra rétegei sok energiát nyelnek el, ezért emelkedik a hőmérséklet a termoszférában. Ezeknek a rétegeknek gyakorlati jelentőségük is van: hatnak a Föld mágneses terére és befolyásolják a közepes és hosszú rádióhullámok terjedését is.