Najzastupljeniji plinovi u Zemljinoj atmosferi ovise o regiji atmosfere i drugim čimbenicima. Od vremena kemijski sastav atmosfere ovisi o temperaturi, nadmorskoj visini i blizini vode. Obično su 4 najzastupljenija plina:
Međutim, vodena para može biti i jedan od najzastupljenijih plinova! Maksimalni iznos od vodena para zrak može zadržati 4%, pa vodena para može biti broj 3 ili 4 na ovom popisu. U prosjeku, količina vodene pare iznosi 0,25% atmosfere, po masi (četvrti najzastupljeniji plin). Topli zrak zadržava više vode od hladnog zraka.
Na puno manjoj razini, u blizini površinskih šuma, količina kisika i ugljičnog dioksida može se neznatno razlikovati iz dana u noć.
Dok je atmosfera u blizini površine prilično homogen kemijski sastav, obilje plinova mijenja se na većim visinama. Donja razina naziva se homosfera. Iznad njega je heterosfera ili egzosfera. To područje se sastoji od slojeva ili školjki plinova. Najniža razina sastoji se uglavnom od molekularnog dušika (N2). Iznad nje nalazi se sloj atomskog kisika (O). Na još većoj nadmorskoj visini, atomi helija (He) su najobilniji element. Iza ove točke,
helijum iskrvari u svemir. Vanjski sloj sastoji se od atoma vodika (H). Čestice još više okružuju Zemlju (ionosfera), ali vanjski slojevi su nabijene čestice, a ne plinovi. Debljina i sastav slojeva egzosfere mijenjaju se ovisno o sunčevom zračenju (dan i noć i sunčeva aktivnost).