大气主要是氧和氮组成，但也含有大约占０．０３％的二氧化碳，这些二氧化碳在稳定地球表面附近的气温及高空大气温度方面起着重要的作用。
大气中还有其它各种各样的物质，其中最值得注意的是水汽。从气象学的角度来说，水是地球大气当中最重要的组成部分。直到高空１２０００～１４０００米都可以发现水汽。水汽含量在某些山脉和沙漠的上空接近于零，在海洋的上空达４％，其他地区在０～４％之间变动。如果大气中的水汽全部凝结为液态水，它就会在整个地球表面上造成２．５４厘米的降水量。
水以三种形态存在于大气中，这就是肉眼看不见的气态的水汽；液态的水微滴；固态的冰晶。后面两种形态当中，包括肉眼看得见的降水—雨、雹、冻雨和雪。
包裹着地球大气的底层是对流层，它容纳了几乎全部的水汽。地球上的各种天气也发生在这一层次。