A atmosfera superior, especificamente a termosfera e a exosfera, é dominada por uma mistura muito fina de gases, com o ser mais abundante:

* oxigênio atômico (O) - Este é o constituinte mais abundante da termosfera.
* hélio (ele) - O hélio é o segundo gás mais abundante na termosfera e exosfera.
* hidrogênio (h) - O hidrogênio se torna o gás dominante na exosfera.
* nitrogênio (n) - Embora não seja tão abundante quanto o oxigênio, o nitrogênio ainda existe na atmosfera superior, embora em uma concentração muito menor do que na atmosfera inferior.
* dióxido de carbono (CO2) - O dióxido de carbono está presente na atmosfera superior, mas sua concentração é muito menor do que na troposfera.

Outros gases presentes em quantidades vestigiais incluem:

* argônio (AR)
* neon (ne)
* sódio (Na)
* ferro (Fe)

É importante lembrar que a composição da atmosfera superior pode variar dependendo de fatores como altitude, latitude e atividade solar.