天究竟有多高呢？这个问题自古就不断有人问起。
古代中国人相信，天有九重。巧合的是，古希腊人也认为，天就像是一顶篷盖，分为许多层，称为“天穹”，那些闪闪发光的天体就镶嵌在“天穹”上，很多人曾试图测出天与地之间的距离。
后来人们逐渐明白，地球只是太阳系中的一颗普通行星，而银河系中有亿万颗像太阳一样的恒星。所谓“天”只不过是宇宙空间的另一个叫法罢了。于是天究竟有多高的问题就变得没有实际意义。不过，从另一个角度来看，可以把地球由大气包裹的范围视为“天空”，把近乎为真空的星际空间视为“天外”或“太空”，那么“天空的高度”还是可测量的。
自从18世纪末人们发明热气球和氢气球后，它们很快就被用于高空探险。20世纪30年代，带有密封吊舱的气球将人带到了20km的高度。而到了60年代，载人气球最高升到35km，不载人的气球最高升到46km。
科学家发现，在距离地面11km的高度以下，气温由下而上逐渐下降，也就是说，随着高度的升高，气温逐渐降低，其中空气的流动主要是上升和下降的对流运动，故将其命名为对流层。11～32km之间，气流平稳，气温几乎恒定，命名为平流层。再往上，温度便开始逐渐升高。
此外人们还发现，在平流层中2万～3万m高的范围内，氧分子在太阳紫外线辐射的作用下，形成一种叫做臭氧的分子，因此科学家称其为臭氧层。它可以吸收阳光中的紫外线，像屏障一样保护地球生物不受伤害。
20世纪50年代，科学家利用携带有遥测仪器的探空火箭了解平流层以上高层大气的情况，发现在平流层以上，温度随高度增加而逐渐上升，在50km时达到最高值，即-10℃左右，然后又再次下降，在85km高度达到最低值，即-90℃。后来将这一区域称为中间层。
在中间层以上，稀薄空气的密度只有海平面大气密度的10万分之几，氧气大多分解为氧原子。当阳光照射这里时，紫外线被氧原子大量吸收，使得气温再次随高度增加而逐渐上升，最高可达到1000℃。所以科学家称这里为热层。
地球大气层结构科学家还发现，由于热层以上的大气温度很高，气体分子大量电离，成为离子和自由电子，因此称其为电离层。电离层能够反射地面发射的电磁波，可以帮助人类实现远距离通讯。
到了500km以上，就是所谓的外大气层，这里的温度很高，可达数千摄氏度，大气密度只有海平面处的1亿亿分之一。而在地球两极800～1000km的高空，气体分子由于受到外层空间高速粒子的撞击而形成美丽的极光。
其实在100万m以上，仍然有极度稀薄的大气，主要是很轻的氦和氢，它们会使地球低轨道人造卫星的运行受到摩擦阻力的影响。这些气体一直向上延伸，直到6.4万km左右，才稀薄到与外太空相近的程度。
习惯上，人们将距地面1000km的高度视为大气层的边界，也就是所谓“天空”的高度。