Carbon dioxide, hơi nước, oxy và mêtan là những khí hầu như chỉ được tìm thấy trong tầng đối lưu. Tầng đối lưu là lớp thấp nhất của khí quyển Trái đất, chiếm 75% tổng khối lượng của khí quyển .
Tầng đối lưu chứa 99% hơi nước trong khí quyển. Nồng độ hơi nước thay đổi ở các vùng khí hậu khác nhau, từ lượng nhỏ xung quanh các cực đến hơn 4% ở các vùng nhiệt đới. Hơi nước trong tầng đối lưu là thành phần chính tham gia vào chu trình nước của Trái đất. Nước bốc hơi từ đại dương, biển và hồ nước ngưng tụ trong tầng đối lưu, được mang theo bởi gió, sau đó lại rơi xuống Trái đất dưới dạng kết tủa. Nếu không có quá trình này, sự sống trên Trái đất sẽ không còn tồn tại, vì các nguồn nước ngọt sẽ không còn được bổ sung.
Tầng đối lưu cũng chứa carbon dioxide với một lượng nhỏ. Kể từ khi bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp vào cuối những năm 1800 và đầu những năm 1900, nồng độ carbon dioxide đã từ từ tăng lên. Khí giữ nhiệt gần bề mặt Trái đất bằng cách hấp thụ và tái tạo bức xạ hồng ngoại, góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính. Những tác động đáng kể của sự gia tăng carbon dioxide trong khí quyển bao gồm việc nâng cao nhiệt độ trung bình toàn cầu của khí quyển Trái đất và thay đổi các kiểu thời tiết của Trái đất. Carbon dioxide thường được coi là khí nhà kính quan trọng nhất, mặc dù mêtan và nitơ oxit cũng góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính.
