研究距地球表面50公里到2000公里的空间区域的物理现象。覆盖整个地球的大气质量约为5.3×1021克，其中90%聚集在离地表15公里高度以下，99.9%在距地面48公里以内。地球大气的密度、压力、组分和电磁特性都随高度而变化，高层大气物理学研究的内容与人类的空间活动、军事活动和科学研究有着密切的关系。
研究发生在电离层中的电离过程、动力学和光化学等物理过程。地球高层大气中的分子和原子受太阳产生的电磁辐射与粒子辐射的作用，其外层电子会脱离分子和原子的束缚而电离出来，从而使大气中出现大量的自由电子、正离子和负离子，形成从宏观上仍然是中性的等离子体区域，叫电离层，它处在离地表大约60公里至几千公里高度的一个确定空间。由于电子密度不同，电离层可分成D层、E层和F层。电离层中的带电粒子在外加电磁场的作用下会发生振动，产生二次辐射，同原来的无线电波外加场矢量相加，使电波向下折射而传播。超短波（30～300兆赫）的散射传播会穿透电离层，可用于地面和空间飞行器之间的跟踪定位、遥测、遥控和通信联络。等离子体技术在空间技术（例如等离子体推进）、氢弹及受控热核反应、磁流体发电等各个方面都有实际应用。
磁层物理学是二十世纪六十年代初诞生的一门重要的新兴学科。地球是一个磁体，地磁场与一个棒状磁体的磁场（偶极场）相似。磁层的存在对人类进行空间活动有很大的影响。磁层中的粒子（主要成份是质子和电子）与物质发生作用时。可以引起电离、原子位移、化学反应和各种核反应。从而容易损伤空间飞行器、人体和材料等。为了确保航天飞行的安全，必须加强对磁层的研究。
行星际空间是太阳系内行星之间的空间，星际物理学研究行星际物质的分布、密度、温度和磁场等物理性质。它阐述太阳风（太阳抛出的高速带电粒子流）和太阳磁场的形成、运动、在行星际空间的分布以及对其他行星际物质的作用，这些对推测太阳系的起源、演化都有重要的作用。
研究太阳系中行星大气层的组成结构以及物理效应。太阳系中，水星、金星、木星、火星、土星、天王星、海王星周围，都有一定的大气环绕，其分层类似地球大气分层。冥王星有无大气，至今不能断定。
行星磁层物理学主要研究的是行星磁层。行星磁层是由太阳风与行星磁场的相互作用，行星磁场被限制在一定的空间区域而形成。
来自宇宙空间的各种高能微观粒子——质子（氢原子核）、α粒子（氦原子核），电子、中微子和高能光子（X射线和γ射线）称为宇宙线。宇宙线物理学研究的是宇宙线的来源、传播及与星际空间的相互作用，是研究天体演化的一个重要途径。
太阳物理学包括太阳大气研究、日震学、天体物理学等方面。主要研究日冕物质抛射的形成、演化过程以及对行星际磁场和地球磁层、电离层的影响。太阳物理学的研究手段是用人工日食或者利用卫星观测的方法研究日冕的变化以及位形，利用编程技术重构日冕模型，得到三维的日冕结构图像，并作进一步分析。
