Anaximène de Milet (530 av. J.-C), croit que l'air était une divinité créatrice de toute chose. Posidonius (vers 79 av. J.-C.) évalue à 800 stades la hauteur de l'atmosphère. Quand Copernic et Galilée démontrent la réalité du double mouvement de translation (ou de révolution) et de rotation de la Terre, on se demande : comment ce fluide impalpable de l'air est retenu à sa surface, comment notre globe ne le laisse pas échapper par lambeaux derrière lui dans sa course vertigineuse, comment il se fait qu'il puisse résister à l'action de la force centrifuge et ne pas se dissiper par un écoulement continu, principalement dans les hautes régions de la zone équatoriale. C'est toute la mécanique classique, celle qui se construit, tout au long du XVII^e siècle, de Galilée à Newton, qui est dès lors requise pour pouvoir espérer se figurer l'atmosphère de façon cohérente.
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L'atmosphère terrestre vue de l'espace. (Source : NASA).

Parallèlement, la pression de l'air est découverte par Galilée (1564) avant d'être démontrée par Torricelli; Pascal trouve qu'elle varie suivant l'altitude. Ainsi, la connaissance plus exacte des propriétés de l'air, de sa pesanteur, de la pression des couches fluides les unes sur les autres, permet-elle aussi de résoudre toutes les difficultés : les célèbres expériences de Torricelli, de Pascal et de Périer sont le point de départ de toutes les connaissances qui ont été accumulées depuis. On comprend alors que l'étendue de l'atmosphère est nécessairement comprise entre deux limites, l'une inférieure, résultant de la valeur à peu près constante de la pression ou du poids de toutes les couches d'air superposées, l'autre supérieure, déterminée par la distance à laquelle la force centrifuge acquiert une intensité qui dépasse celle de la pesanteur même. Les mesures de pression en montagne, puis les ascensions en ballon, l'utilisation, enfin de ballons-sondes et, à partir de la seconde moitié du XX^e siècle, de fusées-sondes, achèveront de donner une idée de la structure verticale de la couche d'air qui entoure notre planète.

Halley et Newton et plusieurs autres ont expliqué, par de nombreuses expériences, l'influence physique de l'atmosphère à la surface du globe. Leurs travaux ont été suivis d'un grand nombre d'inventions, telles que la machine pneumatique d'Otto von  Guericke, vers 1650. La densité et l'élasticité de l'air sont déterminées par Boyle et Mariotte; les rapports de l'atmosphère avec la lumière et le son sont étudiés par Hooke, Newton et Durham. La composition de l'air est certifiée par Priestley, Scheele, Lavoisier et Cavendish. Priestley et Scheele , en particulier, donnent, en 1774, la constitution de l'atmosphère comme étant un mélange d'azote et d'oxygène. A la même époque Bergmann y ajoute l'acide carbonique. D'autres chercheurs y découvrent certains constituants mineurs : Schönbein, par exemple (entre 1840 et 1859), décrit deux états de l'oxygène dans l'air; à l'un il donne le nom d'ozone et à l'autre celui d'antozone. On comprend aussi vers la même époque que l'air, aussi bien que ses composants, peut être rendu liquide, au moyen d'une grande pression, accompagnée d'un froid intense; c'est ce que réalisent notamment en 1877Raoul Pictet, à Genève, et Cailletet, à Paris.