研究和火箭实测表明，大约90km高度以下大气分子量没有明显变动，但在高度l0～50km范围内O3含量的百分数较大，极大值约在20～35km处。35～40km以上出现NO。90km以上O2开始分解为氧原子，在更高处N2也开始分解，在约100km以上，大气的主要成分为O、N2和N。在约500km以上，N2和O2就都不存在了，He和H含量的百分数则逐渐增加，到2000km以上就只有这两种原子了。

大气分子有向外散逸的趋势。这种趋势与地球引力对抗的结果，大气压力随高度按指数规律衰减。各种成分所含的离子数可能在某一高度上出现最大值，但因各种因素（包括地磁场）对电离层同时作用以及带电粒子的迁移、散逸的结果，实际的离子浓度随高度的变动并不是几种成分理论分布的叠加。大体上，阴离子只存在于70km（白天）或90km（夜晚）以下，其上主要是浓度基本相同的阳离子和自由电子。浓度随高度的分布曲线在某几个高度上出现逗留，这些高度对于电磁波的反射起着重要的作用。各区域从下而上命名为D层（约在地面以上40～90km）、E层（约90～160km）和F层（伸展到数千公里以外）。

电子浓度随高度的分布受时间、季节和太阳的活动性影响很大，浓度值和各区的范围都不是固定的。在夜间由于受不到太阳的照射，而低层大气的密度又较大，复合较强，D层会消失，E、F层的电子浓度也会降低一、二个数量级。在很偶然的情况下，E层中会出现Es层，电子浓度程高，甚至能反射50MHz左右的电磁波，其寿命则只有数小时或更短。在太阳表面黑子较多而喷出大量粒子流时，F层可能因受热膨胀而浓度大大下降，以致短波通信中断几小时乃至几十小时。这种情况在高纬度地区比较严重。

电离层是色散性媒质。当折射率成为虚数时，电磁波受到截止衰减，不能传播。