飛行器在大氣層內飛行時所處的環境條件。包圍地球的空氣層(即大氣)是航空器的唯一飛行活動環境，也是導彈和航天器的重要飛行環境。大氣層無明顯的上限，它的各種特性在鉛垂方向上的差異非常明顯，例如空氣密度隨高度增加而很快趨於稀薄。以大氣中溫度隨高度的分佈為主要依據，可將大氣層劃分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層（外大氣層）等5個層次（圖1）。航空器的大氣飛行環境是對流層和平流層。大氣層對飛行有很大影響，惡劣的天氣條件會危及飛行安全，大氣屬性（溫度、壓力、濕度度、風向、風速等）對飛機飛行性能和飛行航跡也會產生不同程度的影響（見大氣影響）。
對流層 地球大氣中最低的一層。對流層中氣溫隨高度增加而降低，空氣的對流運動極為明顯，空氣溫度和濕度的水平分佈也很不均勻。對流層的厚度隨緯度和季節變化，一般低緯度地區平均為16～18公裡；中緯度地區平均為10～12公裡；高緯度地區平均為8～9公裡。就季節而言，中國絕大部分地區一般都是夏季對流層厚，冬季對流層薄。對流層集中瞭全部大氣約四分之三的質量和幾乎全部的水汽，是天氣變化最復雜的層次，也是對飛行影響最重要的層次。飛行中所遇到的各種重要天氣現象幾乎都出現在這一層中，如雷暴、濃霧、低雲幕、雨、雪、大氣湍流、風切變等（圖2）。在對流層內，按氣流和天氣現象分佈的特點，又可分為下層、中層和上層3個層次。
①對流層下層：又稱摩擦層。它的范圍自地面到1～2公裡高度。但在各地的實際高度又與地表性質、季節等因素有關。一般說來，其高度在粗糙地表上高於平整地表上，夏季高於冬季（北半球），晝間高於夜間。在下層中，氣流受地面摩擦作用很大，風速通常隨高度增加而增大。在復雜的地形和惡劣天氣條件下，常存在劇烈的氣流擾動，威脅著飛行安全。突發的下沖氣流和強烈的低空風切變常會引起飛機失事。另外，充沛的水汽和塵埃往往導致濃霧和其他惡化能見度的現象，對飛機的起飛和著陸構成嚴重的障礙。為瞭確保飛行安全，每個機場都規定有各類飛機的起降氣象條件。另外，對流層下層中氣溫的日變化極為明顯，晝夜溫差可達10～40°C。
②對流層中層：它的底界即摩擦層頂，上界高度約為6公裡，這一層受地表的影響遠小於摩擦層。大氣中雲和降水現象大都發生在這一層內。這一層的上部，氣壓通常隻及地面的一半，在那裡飛行時需要使用氧氣。一般輕型運輸機、直升機等常在這一層中飛行。
③對流層上層：它的范圍從6公裡高度伸展到對流層的頂部。這一層的氣溫常年都在0°C以下，水汽含量很少。各種雲都由冰晶或過冷卻水滴組成。在中緯度和副熱帶地區，這一層中常有風速等於或大於30米／秒的強風帶，即所謂的高空急流。飛機在急流附近飛行時往往會遇到強烈顛簸，使乘員不適，甚至破壞飛機結構和威脅飛行安全。
此外，在對流層和平流層之間，還有一個厚度為數百米到1～2公裡的過渡層，稱為對流層頂。對流層頂對垂直氣流有很大的阻擋作用。上升的水汽、塵粒等多聚集其下，那裡的能見度往往較差。
平流層 位於對流層頂之上，頂界伸展到約50～55公裡。在平流層內，隨著高度的增加氣溫最初保持不變或微有上升，到25～30公裡以上氣溫升高較快，到瞭平流層頂氣溫約升至270～290K。平流層的這種氣溫分佈特征同它受地面影響小和存在大量臭氧（臭氧能直接吸收太陽輻射）有關。這一層過去常被稱為同溫層，實際上指的是平流層的下部。在平流層中，空氣的垂直運動遠比對流層弱，水汽和塵粒含量也較少，因而氣流比較平緩，能見度較佳。對於飛行來說，平流層中氣流平穩、空氣阻力小是有利的一面，但因空氣稀薄，飛行器的穩定性和操縱性惡化，這又是不利的一面。高性能的現代殲擊機和偵察機都能在平流層中飛行。隨著飛機飛行上限的日益增高和火箭、導彈的發展，對平流層的研究日趨重要。
中間層 從平流層頂大約50～55公裡伸展到80～85公裡高度。這一層的特點是：氣溫隨高度增加而下降，空氣有相當強烈的垂直運動。在這一層的頂部氣溫可低至160～190K。
熱層 它的范圍是從中間層頂伸展到約800公裡高度。這一層的空氣密度很小，聲波也難以傳播。熱層的一個特征是氣溫隨高度增加而上升。另一個重要特征是空氣處於高度電離狀態。熱層又在電離層范圍內。在電離層中各高度上空氣電離的程度是不均勻的，存在著電離強度相對較強的幾個層次，如D、E、F層。有時，在極區常可見到光彩奪目的極光。電離層的變化會影響飛行器的無線電通信。
散逸層 又稱逃逸層、外大氣層，是地球大氣的最外層，位於熱層之上。那裡的空氣極其稀薄，同時又遠離地面，受地球的引力作用較小，因而大氣分子不斷地向星際空間逃逸。航天器脫離這一層後便進入太空飛行。