天王星的大气层虽然还是以氢和氦为主要的成分，但与海王星相似，而不同于较大的气体巨星木星和土星，它拥有的挥发性物质（类似于冰），像是水、氨和甲烷的比例较高。不同于木星和土星，天王星上层的大气层之下被认为没有金属氢。取而代之的是，在内部应该是由氨、水和甲烷组成的“海洋”，逐渐的转换成以氢和氦为主的大气层并混合在一起，而没有很清楚的界线。由于这样的差异，许多天文学家认为天王星和海王星应该自成一族，称为冰巨星，以与木星和土星有所区别。天王星大气层的成分和天王星整体的成分不同，主要是。氦的摩尔分数，这是每摩尔中所含有的氦原子数量，是利用旅行者2号的远红外线和无线电的掩星观测测量和分析得到的，现在被认可的数值是0.15±0.03。在对流层顶，这个数值的质量比0.26 ± 0.05。这个数值非常接近原恒星的氦质量比0.275 ± 0.01，暗示氦没有像气体巨星一样的沉降至行星的中心。氘的丰度相对于较轻的氢是，是在1990年由红外线太空天文台（ISO）测定的，并且显然比在木星测量的原恒星2.25 ± 0.35×10−5数值更高。这些氘几乎完全都没有例外的在与正常的氢原子组成的氢氘分子中发现的。