Водяной пар (Н₂О), его количество в атмосфере колеблется от 0 до 7%. Поднимаясь вверх, водяной пар конденсируется, поэтому его количество с высотой быстро уменьшается и выше 10-15 км содержание водяного пара ничтожно. Роль водяного пера в атмосфере большая, так как, во-первых, при его конденсации образуются облака; во-вторых, переход воды из одного агрегатного состояния в другое сопровождается поглощением (выделением) большого количества тепла и, в-третьих, водяной пар сильно поглощает инфракрасную радиацию земной поверхности и атмосферы. Все эти процессы оказывают существенное влияние на тепловой режим системы Земля-атмосфера.

Углекислый газ (СО₂) поступает в атмосферу при процессах окисления. В крупных промышленных центрах его количество может достигать 0,05 %, В среднем у поверхности Земли количество углекислого газа около 0,033 %. Углекислый газ хорошо поглощает длинноволновую тепловую радиацию, усиливая тепличный эффект. Считают, что увеличение углекислого газа в атмосфере приведет к повышению температуры воздуха. Углекислота энергично потребляется растениями при фотосинтезе. Значительное количество углекислого газа поглощается океаном, в котором его растворено примерно в 50 раз больше, чем находится в атмосфере.

Растворимость углекислоты, как и всякого газа, в морской воде убывает с ростом температуры, поэтому холодные течения, идущие из полярных в тропические широты, выделяют в воздух некоторое количество СО₂ и повышают в тропиках его концентрацию, а теплые течения, охлаждающиеся в высоких широтах, поглощают СО₂ из атмосферы, уменьшая его концентрацию.

Кроме того, в течение года в северном полушарии концентрация СО₂ уменьшается детом от мая к октябрю из-за поглощения его растениями в вегетационный период.

Озон (О₃) составляет в атмосфере в среднем 4*10^-5%. В нижних слоях атмосферы образуется при грозовых разрядах и при окислении некоторых органических веществ, в верхних слоях - в результате фотохимического действия ультрафиолетовых лучей солнца на кислород. При этом молекулы кислорода разлагаются на атомы; соединяясь с молекулярным кислородом они образуют озон. Затем он вновь превращается в кислород в результате реакций с различными компонентами атмосферы.

Озон образуется, в основном, в экваториальной зоне в верхней стратосфере, а затем переносится к полюсам, где он может накапливаться особенно интенсивно зимой. Более 90 % озона сосредоточено в слое, удаленном от поверхности нашей планеты на 10-50 км с максимальной концентрацией на высотах 20-35 км. Слой этот иногда называют -озоносферой. Если весь озон в вертикальном столбе атмосферы привести к температуре 0 °С и давлению 1000 гПа, то толщина слоя окажется в пределах 2 мм на экваторе и до 4 мм в полярных областях. Основным, весьма важным для жизни на Земле, свойством озона является его способность поглощать ультрафиолетовые лучи Солнца, губительные для живой клетки.

Аэрозоль. Совокупность взвешенных в атмосферном воздухе частичек объединяют под общим названием "аэрозоль". Это взвешенные в воздухе капли воды, кристаллы льда, частички морской соли, золы и пыли. С высотой количество частичек значительно убывает. Некоторые из них (продукты неполного сгорания, соль морской вода и т.п.) обладают свойством собирать (абсорбировать) на себе влагу, такие частички называют ядрами конденсации, они играют роль центров при образования водяных капель из пара.

В верхних слоях атмосферы (выше 100 км) в гетеросфере под влиянием ультрафиолетового излучения происходит диссоциация молекул кислорода на атомы, и на высотах более 100 км кислород почти полностью диссоциирован. Вследствие этого относительная молекулярная масса воздуха начинает уменьшаться с высотой. Предполагается, что выше 400-500 км все газы, составляющие атмосферу, находятся в атомарном состоянии. Здесь наблюдается значительная ионизация газов.