Чистый и сухой воздух представляет собой механическую смесь нескольких газов. Основные из них: азот — 78,09%, кислород — 20,95%, аргон — 0,93%, углекислый газ — 0,03%. Содержание остальных газов (неона, гелия, криптона, ксенона, аммиака, водорода, иода, озона) ничтожно мало.
Количество углекислого газа в атмосфере изменяется от 0,02 до 0,032%, его больше над промышленными районами, меньше над Океаном, над поверхностью, покрытой снегом и льдом.
Водяной пар содержится в атмосфере в количестве от 0 до 4% по объему. Он попадает в атмосферу в результате испарения влаги с земной поверхности, и поэтому содержание его с высотой уменьшается: 90% всего водяного пара содержится в нижнем пятикилометровом слое атмосферы, выше 10—12 км водяного пара очень мало. Значение водяного пара в круговороте тепла и влаги в атмосфере огромно.
В слое атмосферы от поверхности Земли до 60 км присутствует озон (О3) — трехатомный кислород, возникающий в результате расщепления молекул обычного кислорода (О2) и перераспределения его атомов. В нижних слоях атмосферы озон появляется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды, окисление некоторых органических веществ), в более высоких слоях он образуется под действием ультрафиолетовой радиации Солнца, которую поглощает. Концентрация озона особенно велика на высоте 22—26 км. Общее количество озона в атмосфере незначительно: при температуре 0° в условиях нормального давления у поверхности Земли весь озон поместится в слое толщиной 3 мм. Содержание озона больше в атмосфере полярных широт, чем экваториальных, весной оно увеличивается, осенью уменьшается. Озон полностью поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца до длины волн 0,29 микрона, губительную для животных и растений на Земле. Он задерживает также тепловое излучение Земли, предохраняя ее поверхность от охлаждения. Незначительные доли ультрафиолетовой радиации, пропускаемой озоном, убивают микроорганизмы, но благотворно влияют на организм человека.
Кроме газообразных составных частей, в атмосфере всегда находятся во взвешенном состоянии мельчайшие частицы различного происхождения, разнообразные по размерам, форме, химическому составу и физическим свойствам (дым, пыль, продукты конденсации водяного пара) — аэрозоли. С поверхности Земли в атмосферу попадают частицы почвы, продукты выветривания горных пород, вулканическая пыль, морская соль, дым, органические частицы (микроорганизмы, пыльца растений).
При атомных взрывах появляются аэрозольные частицы, содержащие радиоактивные вещества. Из межпланетного пространства в земную атмосферу попадает космическая пыль. В слое атмосферы до высоты 100 км содержится более 28 млн. г космической пыли, медленно выпадающей на земную поверхность.
Аэрозольные частицы играют большую роль в развитии ряда атмосферных процессов. Многие из них являются ядрами конденсаций, необходимыми для образования тумана и облаков. С заряженными аэрозолями связаны явления атмосферного электричества.
Атмосферу можно рассматривать как коллоидный раствор, в котором растворитель — газовая среда (воздух), растворенные частицы — мельчайшие примеси.
До высоты около 100 км состав атмосферы постоянен. Атмосфера состоит в основном из молекулярного азота и молекулярного кислорода, в нижнем слое количество примесей с высотой заметно уменьшается. Выше 100 км молекулы кислорода, а затем и азота (выше 220 км) расщепляются под действием ультрафиолетовой радиации. В слое от 100 до 500 км атомарный кислород преобладает. На высоте от 500 до 2000 км атмосфера состоит в основном из легкого инертного газа — гелия, выше 2000 км — из атомарного водорода.