Nad ionosférou,

tj. od 600 km výše je exosféra, která má nejnižší hustotu v celé atmosféře, je ionizovaná a rychlosti molekul plynů a jiných částic jsou tam tak velké, že částice odlétají do kosmického prostoru. Exosféra přechází plynule přímo do meziplanetárnícho prostoru.

V exosféře je možno pozorovat svit polárních září. Nejvyšší oblasti exosféry mají větší koncentraci vodíku, Jinak je složení atmosféry ve všech vrstvách celkem stejné s vyjímkou výskytu vodních par, které jsou přítomny pouze v troposféře a částečně ve stratosféře.
Průměrné složení atmosféry je následující:

Plyn N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr + Xe
= obj. 78.09 29.95 0.932 0.030 0.0018 0.0005 stopy