Atmosfæren består hovedsakelig av molekylært hydrogen og helium. Molekylfraksjonen for helium (antall heliumatomer per gassmolekyl) er i den øvre troposfæren, noe som tilsvarer en massefraksjon på . Dette er svært nær den protosolare heliummassefraksjonen på , og indikerer at helium ikke har slått seg ned rundt kjernen slik det har i de andre gasskjempene. Den tredje vanligste bestanddelen er metan (), som har prominente absorpsjonsband i det synlige og nær-infrarøde (IR) og gjør at Uranus er cyan i fargen. Etter molfraksjon utgjør metanmolekylene 2,3 % av atmosfæren under skydekket av metan, der hvor trykknivået er 1,3 bar (130 kPa). Dette representerer omtrent 20–30 % av karbonforekomsten på solen.