利用裝置在衛星上的探測儀器，直接測量衛星周圍的大氣，或遙感更遠處的大氣。重要的大氣探測衛星系列有“大氣探險者”(AE)、“歐洲空間研究組織”(ESRO)和“聖馬科”(San-Marco)等。
放置在衛星上測量大氣參量的常用感測器，有電離式超高真空計和質譜計，前者用於測量大氣密度，後者用於測定大氣成分。經過專門設計的可控制入口氣流的衛星上的質譜計，能測出高層大氣的風向、風速以及大氣溫度。用裝置在衛星上的加速度計來測定衛星體體受到的大氣阻力，也能計算出大氣密度，這種方法比高層大氣衛星阻尼觀測法有更高的分辨率。
氣象衛星上的各種遙感儀器也是探測高層大氣的重要設備，利用它通過測量大氣氧分子的微波吸收，可以探測大氣溫度；用測量紅外輻射的遙感方法，可以測定大氣溫度分佈、臭氧濃度、水蒸氣含量、地面溫度以及雲的復蓋情況等。70年代末，幾種紅外輻射計和微波輻射計已發展為常規探測系統，安裝在氣象衛星上探測50公裡以下的大氣。