地球表面的平均气压为101.325千帕，大气标高约8.5千米。地球的大气层为由78%的氮气、21%的氧气、混合微量的水蒸气、二氧化碳以及其他的气态分子所构成。对流层的高度随着纬度的变化而异，位于赤道附近的对流层高度则高达17千米，而位于两极附近的对流层高度仅8千米，对流层的高度也会随着天气及季节因素而变化。
地球的生物圈对地球大气层影响显着。在27亿年前光合作用开始产生氧气，最终形成主要由氮、氧组成的大气。这一变化使好氧生物能够繁殖，随后大气中的氧气转化为臭氧，形成臭氧层。臭氧层阻挡了太阳辐射中的紫外线，地球上的生命才得以存续。对生命而言，大气层的重要作用还包括运送水汽，提供生命所需的气体，让流星体在落到地面之前烧毁，以及调节温度等。大气中某些微量气体分子能够吸收从地表散发的长波辐射，从而升高地球平均温度，是为温室效应。大气中的温室气体主要有水蒸气、二氧化碳、甲烷和臭氧。如果地球没有温室效应，则地表平均温度将只有?18°c，生命就很可能不存在。
在对流层的上方，相对高层的大气层通常分为平流层、中间层、热层和散逸层，每一层温度随高度的变化规律都不同。平流层上部是臭氧层，能部分吸收太阳射向地表的紫外线，这对地球上的生命很重要。这也使得平流层中温度随高度的增加而增加。中间层中温度则随高度增加而下降。在热层中，由于气体原子对太阳辐射中短波成分有强烈吸收，温度随高度的增加急剧上升。在热层上部由于空气稀薄，温度较高，气体分子会发生电离，形成等离子体，构成电离层。散逸层向外延伸，愈发稀薄，直到磁层，那里是地磁场和太阳风相互作用的地方。距地表100 km的高空是卡门线，实践中认为它是大气层和外层空间的分界。
由于热运动，大气层外缘的部分分子速度可以大到能够摆脱地球引力。这会使大气气体缓慢但持续地散失到太空中。因为游离的氢分子量小，它更容易达到宇宙速度，散逸到外太空的速率也更快。其中在氢气散失方面，是地球大气以及表面从早期的还原性变为氧化性的原因之一。虽然光合作用也提供了一部分氧气，但是人们认为氢气之类的还原剂消失是大气中能够广泛积累氧气的必要前提，因此也影响了地球上出现的生命形式。虽然大气中的氧气和氢气可转化为水，但其损失大部分皆来自甲烷在高层大气的破坏。
地球的大气层并无明确边界。离地表越远，空气越稀薄，最后停止在外太空。大气层四分之三的质量集中在离地表11千米的对流层。来自太阳的能量将地表和上面对流层中的气体加热，空气受热膨胀，密度减小导致上升，周围较冷、密度较高的气体填补过来，形成了大气环流。这使得热量重新分布，并产生各种天气现象和气候条件。