高层大气高度范围从60公里左右到几千公里。历史上，高层大气的高度范围随探测技术的进步而改变，并且不同学科领域的划分标准不尽相同。有时人们也把30公里以上的中层大气并入高层大气。高层大气上界的层状结构已不明显，在那里，热速度高的大气粒子有可能克服地球引力的束缚而外逸出地球大气层，而行星际空间的某些气体粒子也有可能进入高层大气。

高层大气的粒子包括中性部分和电离部分。由于这两部分粒子间的碰撞，无论从成分结构、动量交换或是从能量平衡角度看，两者都是相互影响不可分割的。在高层大气中存在着各种各样的微观和宏观的物理、化学过程，从而决定了它的热状态、电离状态和运动状态。

高层大气的热状态受太阳紫外辐射和磁层扰动加热所控制。使得约80公里以上的气温随高度的增加而增加，并随时间、经纬度、太阳活动、磁层扰动等因素而变化。

太阳紫外辐射造成了高层大气氧分子的分解。太阳紫外辐射和X射线又使N2、O2和O等大气成分电离，形成电离层。受太阳辐射激发的高层大气粒子能产生气辉、夜光云等发光现象。极区的高层大气粒子还受到太阳高能粒子的轰击，从而产生极光。

由于80公里以上湍流作用逐渐消失，所以高层大气成分，由80公里以下的均匀混合状态逐渐过渡到分子扩散平衡状态，约120公里以上达到完全扩散平衡。扩散平衡就是在重力场作用下，大气中重的成分集中于低层，轻的成分集中于高层，使得大气的平均克分子量随高度递减。 高层大气中以分子运动为基础的现象，除了分子扩散以外，还有动量粘性传输和分子热传导等。高层大气的宏观运动，有全球尺度的环流和潮汐以及声重波等。

研究高层大气，主要是研究它的物质结构和运动规律，以及受太阳活动的影响。研究的方法，一方面要用火箭和人造卫星等进行直接的探测，另一方面也要依靠地面综合性的观测台站，进行长期的系统的观测。然后，根据观测资料进行分析，并在实验室中测定一些气体反应系数，或者模拟某些物理、化学过程，以进行理论上的综合，揭示出高层大气物理、化学现象的本质。