木星大气层中氢和氦的比例非常接近原始太阳星云的理论组成。然而,氧、氮、硫和惰性气体的丰度大约是太阳的三倍,高层大气中的氖只占了总质量的百万分之二十,约为太阳比例的十分之一,氦也几乎耗尽,但仍有太阳中氦比例的80%。这个差距可能是由于元素降水至行星内部所造成的。
在光谱学的分析下,土星被认为和木星的组成最为相似,但另外的气体行星,天王星与海王星相较之下所含氢和氦的比例较低,由于太空船没有深入大气层分析,除了木星之外的行星至今仍没有重元素数量的精确数据。
木星大气层的垂直温度变化与地球大气层相似,对流层的温度随着高度升高而降低,抵达对流层顶部其温度也达到最低值,对流层顶是对流层和平流层的交界处。在木星,对流层顶大约在可见的云层之上50公里,该处的气压是0.1巴,温度110K;在平流层,当转折至增温层时温度已上升至约200K,高度大约是320公里,压力为1微巴;在增温层,温度继续上升,大约在1,000公里处温度高达1000K,该处的压力大约为1纳巴。
由于大气层的底层界限无法确定,一般将压力为10巴之处,视为对流层的最低处,约位于压力为1巴之下约90公里处,温度大约是340K。在科学文献中,将大气压力为1巴之处作为高度为0的木星“表面”。如同地球一样,大气层的最高处,外逸层的顶端,也没有明确的界限,密度梯度逐渐降低,直到平稳地转入星际物质之中,这大约是在“表面”上5000公里的高度。
木星的热成层位于压力低于1微巴之处,能展现气辉现象、极区的极光和X射线的辐射。在它的内部还有数层电子和离子数量增高的电离层。热成层是在地球之外最早被发现有三氢正离子的地方,这种离子在强烈的中红外线辐射下生成,并且是热成层致冷的主要机制。