空气是由多种气体组成的混合物。其中，氧、氮、氩、氖、氦、氪、氙等稀有气体是其稳定组成部分，而二氧化碳和水蒸气的含量则根据地球上的位置和温度变化在很小的范围内有所波动。不定组成部分则因地区而异，例如，靠近冶金工厂的地区可能含有二氧化硫，靠近氯碱工厂的地区可能含有氯。此外，空气中还含有微量的氢、臭氧、氧化二氮、甲烷以及或多或少的尘埃。
实验结果显示，空气中稳定组成部分的体积含量百分比，在离地面100公里高度以内几乎保持恒定。具体来说，氧气约占20.95%，氮气约占78.09%，氩气约占0.932%。空气中主要成分氮气和氧气的相对恒定是由于自然界各种化学反应相互补偿的结果。
动植物的呼吸、物质的燃烧、动植物的腐烂、钢铁的锈蚀等都需要消耗大量氧气。然而，绿色植物在日光下进行光合作用，吸收空气中的二氧化碳，并释放氧气。实验证明，植物释放的氧气总量比它们呼吸所需的氧气量多约20倍。这就是氧气量保持相对平衡的原因。
植物生长需要氮元素，而氮元素的来源就是空气中的氮气。天然固氮主要通过闪电将氮气氧化成一氧化氮，一氧化氮进一步氧化成二氧化氮，然后在雨水中溶解形成亚硝酸和硝酸。这些物质进入土壤后转变为亚硝酸盐和硝酸盐。据估计，每年通过这种途径，大约有4000万吨的氮被固定到土壤中。此外，少量氮是通过豆科植物的根瘤菌固定的。人工固氮的主要途径是用氮气合成氨。而被固定的氮，又可以被一类名为反硝化细菌的微生物分解成氮气返回大气。这样，在自然界中完成了氮循环，使得大气中氮的含量也几乎保持恒定。
