Bức xạ bầu trời khuếch tán là bức xạ Mặt Trời tới bề mặt Trái Đất sau khi đã bị tán xạ khỏi chùm tia trực tiếp bởi các phân tử hoặc các hạt mịn trong khí quyển. Còn được gọi là bức xạ bầu trời, ánh sáng trời khuếch tán hay ngắn gọn là ánh sáng trời, nó là quá trình quyết định đến sự thay đổi các màu sắc của bầu trời. Xấp xỉ 23% trong tổng số bức xạ ánh sáng Mặt Trời tới trực tiếp bị loại bỏ khỏi chùm tia trực tiếp do tán xạ trong khí quyển; khoảng lượng bức xạ tới này đến được bề mặt Trái Đất dưới dạng bức xạ photon bầu trời khuếch tán. Các quá trình tán xạ bức xạ chủ yếu trong khí quyển là tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie: đây là các tán xạ đàn hồi, nghĩa là một photon ánh sáng có thể bị lệch khỏi đường đi của nó mà không bị hấp thụ và thay đổi bước sóng. Dưới một bầu trời âm u có nhiều mây che phủ, không có ánh sáng Mặt Trời trực tiếp và toàn bộ ánh sáng tới từ bức xạ bầu trời khuếch tán. Ban ngày, nếu ta nhìn bầu trời theo một phương tạo thành một góc α với phương của Mặt Trời, thì bức xạ càng bị phân cực khi phương quan sát di chuyển ra xa phương của Mặt Trời. Phương tán xạ ưu thế vuông góc với phương của Mặt Trời và tại phương đó độ phân cực ánh sáng do tán xạ Rayleigh là: Vì tán xạ Rayleigh chiếm ưu thế, nên do đó ánh sáng trời tới từ phương vuông góc (90°) với phương của Mặt Trời gần như phân cực hoàn toàn. Tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với lũy thừa 4 của bước sóng, nó tạo ra ánh sáng xanh lam, sự phân cực của ánh sáng này đôi khi được khai thác trong nhiếp ảnh để có được bầu trời xanh sâu hơn. Một số côn trùng cũng có thể nhận biết sự phân cực của ánh sáng và sử dụng điều này để định hướng vị trí của Mặt Trời. Không có ánh sáng Mặt Trời trực tiếp dưới một bầu trời âm u với nhiều mây che phủ, vì vậy toàn bộ ánh sáng ban ngày tới từ bức xạ bầu trời khuếch tán. Thông lượng ánh sáng không phụ thuộc nhiều vào bước sóng vì các hạt nước trong đám mây to hơn so với bước sóng ánh sáng và tán xạ mọi màu sắc xấp xỉ như nhau. Ánh sáng truyền qua các đám mây mờ đục theo cách thức tương tự như khi truyền qua các tấm kính mờ. Cường độ ánh sáng khuếch tán trong khoảng (xấp xỉ) từ của ánh sáng trực tiếp đối với các đám mây khá mỏng, xuống tới của ánh sáng trực tiếp khi dưới các đám mây bão dày nhất. Bầu trời đêm thiếu đi các loại bức xạ Mặt Trời (không kể ánh phản chiếu của Mặt Trăng). Do đó, nó tối đen, cho phép quan sát hàng nghìn ngôi sao lấp lánh trên bầu trời (sự lấp lánh của các sao là do các nhiễu động khúc xạ trong khí quyển). Các ngôi sao vẫn luôn hiện diện vào ban ngày (những ngôi sao sáng nhất có thể thấy bằng kính thiên văn ban ngày), nhưng không thể nhìn thấy được vì Mặt Trời và ánh sáng khuếch tán ban ngày quá sáng. Bầu trời ban đêm ở một vài nơi còn có thể có những màu sắc rực rỡ đến từ cực quang, các ánh khí hay ánh sáng hoàng đạo. Nghịch lý Olbers về bầu trời đêm nêu một sự mâu thuẫn, giả sử có một vũ trụ tĩnh và vô hạn, bầu trời đêm không thể tối đen vì hướng nào cũng có ánh sáng từ vô số vì sao. Hiện nay, do ô nhiễm ánh sáng đô thị, nhiều nơi trên Trái Đất không còn được chứng kiến bầu trời đêm tối đích thực, hạn chế các quan sát thiên văn. Sự chiếu sáng đô thị mạnh tạo ra những loại tán xạ trên bầu trời được gọi là skyglow, lấn át các ánh sao và dải Ngân Hà. Dựa trên các phân tích về hậu quả của sự phun trào núi lửa Pinatubo ở Philippines (vào tháng 6 năm 1991) và một số nghiên cứu khác: Ánh sáng bầu trời khuếch tán, nhờ các đặc tính riêng của nó, có thể chiếu sáng tới các lá cây dưới tán, cho hiệu suất quang hợp hiệu quả hơn so với trường hợp ánh sáng Mặt Trời trực tiếp; bởi vì với bầu trời hoàn toàn quang mây với nhiều ánh sáng trực tiếp, bóng của tán cây bên trên sẽ che mất những chiếc lá bên dưới, và vì vậy giới hạn sự quang hợp của cây xanh chỉ ở phần tán trên. Khi Pinatubo phun trào, nhiều nhà khoa học đã dự đoán rằng các lớp mây khói của núi lửa sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất nông nghiệp toàn cầu, do chúng dẫn đến sự suy giảm của nhiệt độ và bức xạ Mặt Trời trực tiếp (giảm tới 30%) chiếu xuống mặt đất. Nhưng thật đáng ngạc nhiên, trên thực tế một sự gia tăng sản lượng nông nghiệp và phát triển lâm nghiệp toàn cầu và trong 3-4 năm tiếp theo đã được chứng kiến. Các nghiên cứu tiếp theo đã được triển khai để giải thích điều này, và họ đã tìm ra rằng chính sự suy giảm bức xạ trực tiếp hóa ra lại là cơ chế của sự phát triển mạnh mẽ này của cây xanh, vì kèm theo đó là sự chiếm ưu thế hơn của bức xạ khuếch tán, loại ánh sáng có thể dễ tiếp cận đến toàn bộ các lá cây hơn. Bầu trời trên Sao Hỏa có màu đỏ hồng, các bức ảnh từ các tàu thăm dò hiện đại cho thấy điều này. Màu sắc này là do gió lốc bụi cuốn các hạt vật chất trên bề mặt lên khí quyển, sự tán xạ làm cho bầu trời có sắc đỏ. Vào lúc Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn, bầu trời Sao Hỏa cũng đổi màu như ở Trái Đất, nhưng màu sắc của nó trở nên ít đỏ hơn. Bầu trời trên Sao Kim, theo các tàu thăm dò của Liên Xô những năm 1980, có một màu đỏ-cam.