Selle järgi, kuidas õhutemperatuur kõrguse kasvades tõuseb või langeb, eristatakse õhkkonnakihte ehk sfääre.
Maapinnale lähim õhkkonnakiht on troposfäär, mis pole aga kõikjal ühepaksune. Maa pöörlemise tõttu on see kõige paksem ekvaatori (17 km) ja kõige õhem pooluste kohal (9 km). Eesti kohal ulatub troposfäär umbes 11 km kõrguseni maapinnast. Troposfääri on koondunud umbes 80% kogu õhkkonna massist, sh enamik veeaurust, pilvedest ja tolmust. Siin kujunevad ilm ja kliima. Troposfääri soojendab aluspind, s.o maa- ja veepind. Kõige soojem ongi troposfäär aluspinna kohal meretasemel, kõrguse kasvades langeb õhutemperatuur keskmiselt 6,5 °C kilomeetri kohta.
Troposfääri kohal on umbes 50 km kõrguseni ulatuv stratosfäär. Kõrguse kasvades stratosfääri temperatuur tõuseb, sest siia on kogunenud osoon, mis neelab Päikeselt saabuvat ultraviolettkiirgust ning soojeneb selle mõjul. Osooni olemasolu ja säilimine on väga oluline, sest ultraviolettkiirgus, mida osoon neelab, on elusloodusele kahjulik.
Stratosfääri kohal on kuni 90 km kõrguseni ulatuv mesosfäär. Kõrguse kasvades õhutemperatuur mesosfääris langeb, sest siin pole veeauru, tolmu ega osooni, mis läbivat päikesekiirgust neelaks. Mesosfääri ülaosas on õhkkonna kõige külmem piirkond. Mesosfääril on samuti kaitsefunktsioon, sest siin põleb ära enamik Maale langevaid taevakehasid ehk meteoore.
Õhkkonna välimine kiht on termosfäär, mis on päikesekiirguse otseses mõjuvallas. Siin neeldub pea täielikult kõige intensiivsem päikesekiirgus. Seepärast tõuseb termosfääris kõrguse kasvades temperatuur kiiresti ja võib küündida kuni 1500 °C-ni. Õhk on aga nii hõre, et seal viibivatele objektidele suur kuumus üle ei kandu. Näiteks tiirleb rahvusvaheline kosmosejaam ümber Maa just termosfääris.