Nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy hàng tỷ năm trước khí quyển của Sao Kim từng khá giống với khí quyển Trái Đất hơn so với ngày nay, và một số người giả thuyết đã tồn tại nước lỏng trên bề mặt hành tinh, nhưng sau chu kỳ từ 600 triệu đến vài tỷ năm, hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát (runaway greenhouse effect) khiến bốc hơi hoàn toàn lượng nước này, và sinh ra lượng khí nhà kính tới mức giới hạn trong bầu khí quyển của nó. Mặc dù những điều kiện vật lý trên hành tinh không còn thích hợp để duy trì những dạng sống nguyên thủy như của Trái Đất nhưng có thể trước đây chúng đã từng tồn tại, và khả năng có những dạng sống bậc thấp tồn tại trong trung tầng và thượng tầng khí quyển vẫn chưa bị bác bỏ.Quán tính nhiệt (thermal inertia) và sự truyền nhiệt bởi gió trong khí quyển gần bề mặt cho thấy nhiệt độ bề mặt Sao Kim không biến đổi lớn giữa phía ngày và đêm, cho dù hành tinh có tốc độ tự quay cực thấp. Tốc độ gió gần bề mặt là thấp, thổi với vận tốc vài kilômét trên giờ, nhưng do mật độ khí quyển gần bề mặt cao, luồng gió tác động một lực lớn lên những chướng ngại vật nó thổi qua, và vận chuyển bụi và đá nhỏ đi khắp bề mặt hành tinh. Chỉ riêng điều này cũng khiến cho con người đi bộ trên bề mặt hành tinh này cũng rất khó khăn, ngay cả khi nhiệt độ, áp suất và sự thiếu hụt ôxy không còn là một vấn đề.Bên trên tầng khí quyển CO2 đậm đặc là những lớp mây chứa chủ yếu SO2 và những giọt axít sunfuric. Những đám mây này phản xạ và tán xạ khoảng 90% ánh sáng Mặt Trời đẩy ngược chúng vào không gian vũ trụ, và ngăn cản các nhà khoa học quan sát bề mặt hành tinh này. Các đám mây vĩnh cửu bao phủ toàn bộ Sao Kim có nghĩa rằng mặc dù Sao Kim gần Mặt Trời hơn so với Trái Đất, bề mặt hành tinh không được chiếu sáng nhiều. Những cơn gió mạnh ở những đám mây trên cao với vận tốc 300 km/h có thể thổi đi vòng quanh hành tinh trong thời gian từ bốn đến năm ngày. Những cơn gió trong khí quyển Sao Kim có tốc độ cao gấp 60 lần tốc độ tự quay của hành tinh này, trong khi đó những cơn gió mạnh nhất trên Trái Đất có tốc độ chỉ bằng 10% đến 20% tốc độ tự quay của nó.Quá trình đẳng nhiệt trong khí quyển Sao Kim rất hữu hiệu; nó duy trì sự không đổi của nhiệt độ khí quyển không những giữa phía ngày và đêm mà còn giữa vùng xích đạo và hai vùng cực. Độ nghiêng trục quay của Sao Kim nhỏ (ít hơn 3 độ, so với 23 độ của Trái Đất) cũng là một nguyên nhân làm sự biến đổi nhiệt độ theo mùa của hành tinh là rất nhỏ. Sự biến đổi rõ rệt của nhiệt độ chỉ xảy ra theo độ cao. Năm 1995, tàu Magellan chụp được ảnh những vùng có độ phản xạ cao tại đỉnh của các ngọn núi cao nhất mà tại những vùng này có phân bố những chất có tính phản xạ như tuyết ở trên Trái Đất. Các nhà khoa học lập luận rằng chất này hình thành trong quá trình tương tự như tuyết, mặc dù trong điều kiện nhiệt độ rất cao. Quá nhiều chất bay hơi ngưng tụ trên gần bề mặt sẽ đẩy khí bay lên và bị lạnh đi hình thành tại những nơi cao hơn, và tại đây chúng lại rơi xuống như mưa. Các nhà khoa học vẫn chưa biết chính xác chất này là gì, nhưng có thể là telua cho tới chì sunfit (galena).Các đám mây trên Sao Kim cũng phóng tia sét nhiều như trên Trái Đất. Sự tồn tại của sét đã gây tranh cãi khi lần đầu tiên tàu Venera của Liên Xô phát hiện ra những chớp sáng này. Năm 2006–07 tàu Venus Express chụp được rõ ràng sóng electron điện từ, dấu hiệu cho thấy có tia sét. Hình ảnh xuất hiện rời rạc của chúng cho thấy những tia sét này đi kèm với hoạt động của thời tiết. Tốc độ tia sét bằng ít nhất một nửa của nó trên Trái Đất. Năm 2007, tàu Venus Express phát hiện ra hai xoáy khí quyển khổng lồ tồn tại ở cực nam hành tinh.Một khám phá khác từ tàu Venus Express trong năm 2011 đó là có một tầng ozone ở trên cao khí quyển của Sao Kim.Ngày 29 tháng 1 năm 2013, các nhà khoa học ESA thông báo tầng điện li của Sao Kim thổi hướng ra ngoài theo cách tương tự như "đuôi các hạt ion phóng ra từ một sao chổi dưới những điều kiện tương tụ."