Khí quyển Trái Đất là yếu tố quan trọng nhằm duy trì hệ sinh thái của hành tinh. Lớp khí mỏng bao bọc Trái Đất được giữ bởi trọng lực của Trái Đất. Không khí khô bao gồm 78% nitơ, 21% oxy, 1% argon và các khí trơ khác, cacbon dioxit...; nhưng không khí cũng chứa một lượng đáng kể hơi nước. Áp suất khí quyển giảm từ từ theo cao độ, và tồn tại trong khoảng khoảng 8 km từ bề mặt Trái Đất: độ cao mà áp suất khí quyển giảm theo hằng số e (hằng số toán học tương đương 2,71...).[23][24] Tầng ozon của khí quyển Trái Đất có vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn tia cực tím đến bề mặt Trái Đất. Vì DNA dễ bị hủy hoại bởi các tia UV, nên tầng này giúp bảo vệ sự sống tại bề mặt. Khí quyển cũng giúp duy trì nhiệt vào ban đêm, và giảm nhiệt độ cực nóng vào ban ngày.

Thời tiết trên mặt đất xuất hiện hầu hết ở phần dưới của khí quyển, và có vai trò là hệ đối lưu trong việc tái phân phối nhiệt. Các dòng hải lưu là nhân tố quan trọng khác trong việc xác định khí hậu, đặc biệt là các dòng tuần hoàn muối nhiệt chính dưới nước có vai trò quan trọng trong việc phân phối năng lượng nhiệt trong các đại dương ở xích đạo đến các vùng cực. Các dòng hải lưu này giúp điều hòa sự chênh lệch nhiệt độ giữa mùa đông và mùa hè ở các vùng ôn đới. Cũng thế, do không có sự tái phân bố năng lượng nhiệt của các dòng hải lưu và khí quyển, nên các vùng nhiệt đới sẽ nóng hơn, và vùng cực lạnh hơn.

Thời tiết có thể có những ảnh hưởng tốt và xấu. Thời tiết cực đoan như vòi rồng, bão nhiệt đới và lốc xoáy, có thể tiêu tốn phần lớn năng lượng trên đường đi của chúng và gây tàn phá. Thảm thực vật trên bề mặt phát triển phụ thuộc vào sự biến động của thời tiết theo mùa, và những thay đổi bất ngờ chỉ trong vài năm có thể ảnh hưởng rất lớn đến thảm thực vật này và cả những động vật sống phụ thuộc vào nó để kiếm ăn.

Khí hậu Trái Đất là thước đo về xu hướng diễn biến trong thời gian dài của khí thời tiết. Nhiều yếu tố khác nhau được cho là ảnh hưởng đến khí hậu như hải lưu, suất phản chiếu bề mặt, khí nhà kính, thay đổi độ chiếu sáng của Mặt Trời, và những thay đổi về quỹ đạo của hành tinh. Dựa trên những dữ liệu lịch sử, Trái Đất từng trải qua những lần biến đổi khí hậu mạnh mẽ trong quá khứ như các thời kỳ băng hà.

Khí hậu của một khu vực phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là vĩ độ. Dải vĩ độ của một bề mặt với các đặc điểm khí hậu tương tự tạo thành một vùng khí hậu. Trên Trái Đất người ta chia thành một số vùng khí hậu từ khí hậu nhiệt đới ở xích đạo đến khí hậu vùng cực ở cực bắc và nam. Thời tiết cũng chịu ảnh hưởng theo mùa là kết quả của sự nghiêng của trục Trái Đất so với mặt phẳng quỹ đạo. Vì vậy, tại một thời điểm trong năm trong mùa hè hoặc đông, một phần của hành tinh sẽ hướng thẳng vào các tia bức xạ của Mặt Trời. Sự tiếp xúc này thay đổi luân phiên khi Trái Đất xoay quanh quỹ đạo của nó. Vào bất kỳ thời điểm nào, bất kể mùa, bán cầu bắc và nam đều có các mùa trái ngược nhau.

Thời tiết là một hệ hỗn loạn dễ dàng bị thay đổi theo môi trường, vì vậy việc dự báo thời tiết chính xác hiện còn bị giới hạn chỉ trong vòng vài ngày.[cần dẫn nguồn] Nhìn chung có hai điều đang diễn ra trên toàn cầu: (1) nhiệt độ đang tăng tính theo giá trị trung bình; và (2) khí hậu khu vực đang trải qua những biến đổi rõ rệt.[25]