海卫一大气层的温度随高度上升而递减，对流顶层的温度约为36K。海拔更高的地区则依序分成热成层、电离层及逸散层。逸散层的温度约为75K。
天气.氮粒子在海卫一表面几公里高的地方形成云，而天文学家也发现雾的存在。这些雾被认为主要是由烃及腈（由受到阳光照射的甲烷所产生的）所组成的。海卫一大气层也拥有固体氮所构成的云系，并位在距离地表1至3公里高的位置。天文学家也普遍在海拔8公里的地方发现风的存在，这是由极地及赤道地区的温差所产生的。这些风也包含着大小超过1微米的游离物质。海卫一大气层中间