Ilma, jota hengitämme, on väritön ja hajuton kaasuseos. Se koostuu enimmäkseen typestä ja hapesta. Typpeä on 78 % ja happea 21 %. Muita kaasuja, kuten argonia ja hiilidioksidia, on yhteensä vain 1 %. Nämä osuudet pätevät kuivalle ilmalle. Ilmakehän ilmassa on aina jonkin verran myös vesihöyryä, yleensä 0–3 %. Sen osuus vaihtelee säätilan ja ympäristön mukaan.

Typpi ja happi esiintyvät kaksiatomisina molekyyleinä, [[$\text{N}_2$]] ja [[$\text{O}_2$]]. Molekyylit ovat erikokoisia ja erimassaisia, joten ilma ei ole ideaalikaasu. Kuten luvussa 3 todettiin, ideaalikaasussa kaikkien rakenneosasten pitäisi olla samanlaisia ja pistemäisiä. Vaikka ilma ei ole ideaalikaasu, se noudattaa tavanomaisissa lämpötiloissa varsin hyvin ideaalikaasulakia. Laskuissa ilman moolimassana voidaan käyttää arvoa 28,97 g/mol. Tämä arvo saadaan typen, hapen ja muiden ilman muodostavien kaasujen moolimassojen painotettuna keskiarvona.

Kaasujen lisäksi ilmassa on aerosoleja, eli pieniä kiinteitä tai nestemäisiä hiukkasia. Niiden halkaisijat vaihtelevat nanometrien suuruusluokasta millimetrin kymmenesosaan. Aerosoleja muodostuu luonnollisesti esimerkiksi tuulen nostaessa tomua ilmaan tai ihmisen toiminnan, kuten puun polttamisen seurauksena. Näkyvät pilvet ovat pieniä vesipisaroita, eli nestemäistä aerosolia. Aerosolien monitahoisia vaikutuksia ilmakehään tutkitaan aerosolifysiikassa.

Ilmakehässä on erilaisia kerroksia, joiden ominaisuudet ja ilmiöt poikkeavat toisistaan. Ilmakehä harvenee korkeammalle noustessa ja lämpötila vaihtelee eri kerroksissa. Sääilmiöt tapahtuvat pääosin 10 kilometrin korkeuteen ulottuvassa troposfäärissä.