太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加，于是，在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。它们为不同波段的辐射所电离，形成各自的极值区，从而导致电离层的层状结构。电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为D层、E层和F层，F层又分为F1层和F2层。最大电子密度约为10厘米，大约位于300千米高度附近。除正规层次外，电离层区域还存在不均匀结构，如偶发E层（Es）和扩展F。偶发E层较常见，是出现于E层区域的不均匀结构。厚度从几百米至一二千米，水平延伸一般为0.1～10千米，高度大约在110千米处，最大电子密度可达10厘米。扩展F是一种出现于F层的不均匀结构，在赤道地区，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的电离层区域。

电离层分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的形态变化也不尽相同。