气层的成分和天王星整体的成分不同，主要是氢和氦。氦的摩尔分数，例如每摩尔中所含有的氦原子数量，在对流层的上层是，相当于质量百分比。这个数值很接近的原恆星质量百分比。显示在气体的巨星中，氦在行星中是不稳定的。在天王星的大气层中，含量佔第三位的是甲烷。甲烷在可见和近红外的吸收带为天王星制造了明显的蓝绿或青色的颜色。在大气压力1.3巴（130千帕）的甲烷云顶之下，甲烷在大气层中的摩尔分数是2.3%，这个量大约是太阳的20至30倍。混合的比率在大气层的上层由于极端的低温，降低了饱合的水准并且造成多余的甲烷结冰。对低