Cấu trúc theo chiều thẳng đứng của bầu khí quyển của Sao Mộc. Lưu ý rằng nhiệt độ giảm theo độ cao ở các tầng phía trên tầng đối lưu. Dữ liệu phần lớn được cung cấp bởi tàu thăm dò Galileo. Tàu thăm dò Galileo ngừng gửi về tín hiệu ở độ sâu 132 km bên dưới "bề mặt" ở áp suất 1 bar của Sao Mộc.[5]

Bầu khí quyển của Sao Mộc được phân thành bốn tầng theo chiều thẳng đứng, từ thấp lên cao gồm: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng nhiệt và tầng ngoài. Không giống như khí quyển Trái Đất, khí quyển của Sao Mộc thiếu một tầng trung lưu.[14] Sao Mộc không có một bề mặt rắn ở gần rìa ngoài (bỏ qua lõi đá nhỏ được giả định nằm ở tâm), và tầng khí quyển thấp nhất, tầng đối lưu, chuyển tiếp từ từ thành lõi chất lỏng của hành tinh này khi đi sâu xuống.[4] Đây là kết quả của việc nhiệt độ và áp suất vượt quá điểm tới hạn của hydro và heli, có nghĩa là không có ranh giới rõ ràng giữa trạng thái khí và trạng thái lỏng. Hydro trở thành một chất lưu siêu tới hạn tại áp suất khoảng 12 bar.[4]

Do ranh giới bên dưới của khí quyển khó xác định, mức áp suất 10 bar, tại độ cao khoảng 90 km bên dưới mức áp suất 1 bar, với nhiệt độ khoảng 340 K, thường được coi như là đáy của tầng bình lưu.[5] Trong các tài liệu khoa học, mức áp suất 1 bar thường được lựa chọn như là điểm xuất phát cho độ cao trên Sao Mộc — tạo thành một "bề mặt" ảo của Sao Mộc.[4] Như với Trái Đất, đỉnh của khí quyển, ở tầng ngoài, cũng không có ranh giới rõ ràng.[15] Mật độ khí quyển giảm dần cho đến khi trở thành môi trường liên hành tinh khoảng 5000 km phía trên "bề mặt".[16]

Sự thay đổi nhiệt độ theo chiều thẳng đứng ở Sao Mộc tương tự như với khí quyển Trái Đất. Nhiệt độ của tầng đối lưu giảm với chiều cao cho đến khi đạt mức tối thiểu ở vùng đỉnh của tầng đối lưu, tại khoảng lặng đối lưu, là ranh giới giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu.[17] Trên Sao Mộc, ranh giới này ở vào khoảng 50 km bên trên những đám mây có thể nhìn thấy được (ở khoảng mức áp suất 1 bar), tại đó áp suất và nhiệt độ là khoảng 0,1 bar và 110 K.[5][18]  Trong tầng bình lưu, nhiệt độ tăng lên, đến khoảng 200 K tại ranh giới với tầng nhiệt, ở độ cao và áp suất khoảng 320 km và 1 µbar.[5] Ở tầng nhiệt, nhiệt độ tiếp tục tăng, cuối cùng đạt 1000 K tại độ cao khoảng 1000 km, nơi áp suất là khoảng 1 nbar.[19]

Khoảng lặng đối lưu của Sao Mộc chứa một cấu trúc mây phức tạp.[20] Các đám mây ở trên cao, nằm trong phạm vi áp suất 0,6 đến 0,9 bar, chứa băng amoniac.[21] Bên dưới những đám mây băng amoniac, những đám mây đặc hơn chứa amoni hydro sulfua hoặc amoni sulfua (nằm trong tầng áp suất 1 đến 2 bar) và nước (3 đến 7 bar) được cho là tồn tại.[22][23] Không có mây mêtan do nhiệt độ quá cao để mêtan có thể ngưng tụ.[20] Những đám mây hơi nước tạo thành tầng mây dày đặc nhất và có ảnh hưởng mạnh nhất đến động lực học của bầu khí quyển. Đây là hệ quả của nhiệt ngưng tụ cao của nước và hàm lượng nước cao hơn so với amoniac và hydro sulfua (do oxy là nguyên tố hóa học phổ biến hơn nitơ hoặc lưu huỳnh).[14] Có nhiều kiểu lớp sương mù khác nhau ở khoảng lặng đối lưu (tại 200 đến 500 mbar) và ở tầng bình lưu (tại 10 đến 100 mbar) nằm phía bên trên các lớp mây.[22][24] Các lớp sương mù này chứa các phân tử hợp chất hiđrôcacbon thơm đa vòng (polycyclic aromatic hydrocarbon) hoặc hydrazin ngưng tụ, được sinh ra ở phía trên tầng bình lưu (từ 1 đến 100 µbar) từ mêtan dưới ảnh hưởng của tia cực tím của Mặt Trời.[20] Tỷ lệ hàm lượng mêtan so với hydro ở tầng bình lưu là khoảng 10−4,[16] trong khi tỷ lệ hàm lượng các chất hữu cơ nhẹ khác, như êtan và axetilen, so với hydro là khoảng 10−6.[16]

Cực quang tại tầng nhiệt vùng cực của Sao Mộc, chụp bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble trong phổ cực tím.

Tầng nhiệt của Sao Mộc nằm ở áp suất thấp hơn 1 µbar và có các hiện tượng khí tượng như bức xạ tầng cao, cực quang và phát xạ X-quang.[25] Bên trong tầng này có các lớp có mật độ điện tử và ion cao, hình thành các tầng điện ly.[16] Nhiệt độ cao phổ biến ở tầng nhiệt (800 đến 1000 K) vẫn chưa được giải thích đầy đủ,[19] các mô hình hiện có dự đoán nhiệt độ không cao hơn khoảng 400 K.[16] Nhiệt độ cao có thể do sự hấp thụ bức xạ Mặt Trời có năng lượng cao (tia cực tím hoặc X-quang), hoặc bởi sự hâm nóng do chuyển động của các hạt điện tích đến từ từ quyển của Sao Mộc, hoặc bởi sự tản nhiệt của sóng trọng lực lan truyền từ dưới lên.[26] Tầng nhiệt và tầng ngoài ở cực và ở vĩ độ thấp phát ra tia X-quang, được quan sát lần đầu tiên bởi vệ tinh quan sát Einstein vào năm 1983.[27] Các hạt năng lượng cao đến từ từ quyển của Sao Mộc tạo ra các cực quang hình bầu dục, bao bọc các vùng cực. Không giống như cực quang trên Trái Đất, chỉ xuất hiện trong bão từ, cực quang ở Sao Mộc là đặc điểm tồn tại vĩnh cửu của khí quyển Sao Mộc.[27] Tầng nhiệt của Sao Mộc là nơi đầu tiên bên ngoài Trái Đất mà ion trihydro (H+3) đã được phát hiện ra.[16] Ion này phát xạ mạnh ở vùng phổ hồng ngoại sóng trung, bước sóng từ 3 đến 5 mm, đây là cơ chế làm mát chính của tầng nhiệt của Sao Mộc.[25]