지구를 둘러싸고 있는 공기층을 대기권이라고 한다. 공기는 질소가 약 78%, 산소가 약 21%, 나머지 1%는 주로 아르곤과 기타 기체, 수증기, 먼지 입자로 이루어져 있다. 대류권이라고 하는 대기권의 하부에 구름이 떠 있으며, 바람과 폭풍 등의 여러 가지 기상 현상은 모두 대류권에서 일어난다. 대류권 위에는 차례로 성층권, 중간권, 열권이 있다. 보통 사람들은 지표에서 3km 이상 올라가면 숨을 쉬기가 어려워진다. 160km 상공에서 공기는 매우 희박해져서 인공위성은 저항을 거의 받지 않고 운행한다. 600km 이상에서도 공기 분자는 발견된다. 위로 올라갈수록 공기는 점점 적어질 뿐이며, 대기권과 우주공간의 경계는 따로 없다.
우리 눈에 보이는 육지뿐만 아니라 보이지 않는 바다의 밑바닥도 단단한 암석으로 되어 있는데, 이렇게 지구를 둘러싸고 있는 암석질 껍데기를 지각이라고 한다. 지각의 두께는 바다 밑이 약 8km이고, 대륙 밑이 약 40km이다. 지각의 가장 아랫부분에서 온도는 약 1,000˚C이다. 지각은 화성암, 퇴적암, 변성암의 세 가지 암석으로 이루어져 있다. 지표면에 있는 모든 암석은 지구상에서 발견되는 가장 흔한 고체 물질인 광물로 이루어지며, 광물은 원소로 이루어져 있다. 지각을 이루는 가장 흔한 원소는 규소와 산소이며, 그다음으로 알루미늄, 철, 칼슘, 마그네슘 등의 순이다. 지각은 대륙지각과 해양지각으로 나누어진다. 대륙지각은 두껍고, 단단한 조립질 암석인 화강암으로 이루어져 있다. 해양지각은 두께가 얇으며, 현무암이라는 검은색의 단단한 미정질 암석과 몇 가지 화성암으로 이루어져 있다. 지각의 하부는 맨틀과 이어지는데, 맨틀과의 경계를 모호로비치치불연속면이나 모호면이라고 한다.
지각의 아래쪽은 뜨거운 암석과 금속으로 이루어져 있다. 지구물리학자들은 지진파를 이용해 지구의 안이 맨틀, 외핵, 내핵으로 나누어져 있다는 사실을 알아냈다. 맨틀은 지각 아래에서 시작하여 약 2,900km 깊이까지 계속되는 두꺼운 암석층이다. 맨틀을 이루는 암석은 규소, 산소, 알루미늄, 철, 마그네슘 등으로 되어 있으며, 맨틀 윗부분의 온도는 약 870˚ C이다. 온도는 아래쪽으로 내려가면서 점점 높아져 외핵과 만나는 곳에서는 약 4,400˚C에 이른다.
외핵은 맨틀 아래에서 시작하며, 두께가 약 2,250km인 층이다. 즉, 모호면 아래에서 2,900~5,150km까지 이어진다. 주로 액체 상태의 철과 니켈로 이루어진 것으로 추정된다. 지질학자들은 외핵의 온도가 약 3,700˚C에서 약 4,300˚C일 것으로 추정한다.
내핵은 외핵 아래에서 시작하여 지구의 중심부를 이룬다. 내핵은 고체 상태의 철과 니켈로 이루어진 것으로 추정되며, 온도는 약 7,000˚C에 이른다.
지구의 역장은 중력과 지구자기 두 가지이다. 중력은 물체를 지구 중심으로 끌어당기는 힘이다. 그래서 물체는 지표면으로 떨어진다. 중력은 우주에서 모든 물체 사이에 작용하는 끌어당기는 힘 때문에 생긴다. 지구와 그 밖의 행성은 태양 쪽으로 잡아당기는 힘 때문에 태양 주위를 공전하고, 달도 지구 쪽으로 잡아당기는 힘 때문에 우주로 도망가지 않고 지구 주위를 공전한다. 지구의 중력은 지표면의 모양을 변하게 한다. 예를 들어 중력은 강물을 아래쪽으로 흐르도록 하고, 흙과 암석을 낮은 지역으로 운반한다. 중력의 크기는 지역에 따라 약간씩 다르다. 중력은 적도보다 양극에서 더 큰데, 그 이유는 양극이 적도보다 지구의 중심부에서 가깝기 때문이다. 같은 이유로 중력은 산꼭대기보다는 해수면에서 더 크다. 또한 중력은 지각 아래에 밀도가 큰 물질이 있으면 더 커진다.
지구의 양극 주변에 있는 자기극은 긴 막대자석처럼 작용하여, 나침반의 N극이 북쪽을 가리키게 한다. 지구자기장은 전기가 흐르는 전선의 코일 주변에 생기는 자기장과 비슷한데, 지구의 외핵에 있는 액체 상태의 암석 물질이 순환하여 만들어지는 것으로 추정된다. 과거 암석층의 연구로 지구의 자기극이 몇백만 년에 걸쳐 여러 번 반대로 되었거나 위치를 바꾸었다는 사실이 밝혀졌다. 지질시대의 어떤 특정한 기간 동안, 자북극은 자남극의 위치에 있었고, 자남극은 자북극의 위치에 있었다. 그러나 이렇게 지구자기가 반대로 바뀌는 원인은 아직 밝혀지지 않았다.
지구의 모습은 끊임없이 바뀐다. 미국의 그랜드캐니언과 같은 지형은 몇백만 년 동안 닳아서 만들어진 반면, 지진이나 화산과 같이 불과 몇 분 만에 일어난 작용으로 어떤 지형이 없어지거나 새로운 지형이 만들어지기도 한다. 과거 지질시대에 일어난 이러한 변화는 암석으로 알 수 있다. 만일 높은 산에 있는 암석에서 조개의 화석이 나오면, 이 산이 옛날에는 물로 덮인 낮은 곳이었음을 알 수 있다. 지형을 바꾸는 중요한 작용으로 풍화, 침식, 운반작용, 지각변동을 들 수 있다. 풍화란 물, 얼음, 화학물질, 식물, 온도변화 등으로 암석이 부서지는 것을 말한다. 흙은 풍화로 만들어진 대표적인 것이다. 흙은 암석 부스러기, 생물, 생물의 시체가 섞여 있는 것이다. 풍화에는 물리적 풍화와 기계적 풍화, 두 가지가 있다. 침식은 풍화와 풍화로 만들어진 물질이 한곳에서 다른 곳으로 이동하는 것을 합한 과정을 말한다. 침식된 물질은 대개 지표면의 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 흙, 자갈, 모래 등이 강물, 바람, 빙하, 파도 등의 자연의 힘으로 다른 곳으로 운반되는 것을 운반작용이라고 한다. 지표면은 오랫동안 이러한 과정을 거치며 서서히 평탄해진다.
한편, 지진이나 화산과 같이 갑자기 일어나 지표면의 모양을 바꾸는 것을 지각변동이라고 한다. 지각변동은 판구조론으로 설명할 수 있다. 판 구조론에 따르면, 지구의 겉껍질은 약 30개의 단단한 판으로 이루어져 있다. 이러한 판은 느린 속도로 계속 움직이며, 판이 접혀지면 습곡과 산맥을 만들고 지진과 화산폭발을 일으킨다. 그러나 육지에서 일어나는 운동은 대부분 느려서, 우리가 느끼기에는 어렵다.